DE19724148C1 - Reaktor zur Depolymerisation von Kunststoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur Depolymerisation von Kunststoffen, insbesondere von werkstofflich nicht mehr verwendbaren Altkunststoffen, zur Herstellung gasförmiger, flüssiger und fester Kohlenwasserstoffe.

Zur Depolymerisation von Kunststoffen, insbesondere werkstofflich nicht mehr verwendbarer Altkunststoffe, sind eine Reihe von Vorrichtungen und Reaktoren bekannt geworden, mittels derer die abzubauenden Kunststoffe bis zur Gasphase abgebaut werden können. Neben technologischen Einrichtungen zur Pyrolyse der Kunststoffe mit dem Ziel der Herstellung von Heiz- oder Synthesegas haben sich in letzter Zeit Technologien durchgesetzt, die einen schonenden Abbau der Kunststoffe in wirtschaftlich wertvolle Endprodukte, wie Öle, Paraffin und Wachse, ermöglichen. So ist neben der Anwendung von Extrudertechnologien, die insbesondere zur Verflüssigung der Kunststoffe eingesetzt werden, eine schonende Depolymerisation von Kunststoffen, insbesondere polyolefinischer Herkunft, in Rührkesseln beschrieben worden. Solche Reaktoren können mit unterschiedlichen Medien beheizbar, z. B. durch Elektroheizung, mit flüssigen Heizmedien, wie Thermoöl, ausgeführt sein. Da der Depolymerisierungprozeß jedoch Temperaturen von etwa 400°C erfordert, müssen zur Durchführung dieser Prozesse hohe Energiemengen eingetragen werden. Dabei kann es bei der Anwendung dieser Technologien leicht zur Überhitzung der Kunststoffe und damit zu einer unkontrollierten Spaltung mit unerwünschten Nebenwirkungen, wie z. B. erhöhter Verkokung, kommen, wodurch der Einsatz dieser Technologien durch aufwendige Reinigungsprozesse zeitlich begrenzt ist. Außerdem gestattet der Einsatz von Rührkesseln nur einen chargenweisen Depolymerisationsprozeß.

Eine kontinuierliche Verfahrensweise zur Depolymerisation von Kunststoffen wird durch den Einsatz von Reaktionsrohren, wie beispielsweise im EP 0474 889 beschrieben, ermöglicht. Aber auch hierbei kann es zu unkontrollierten Spaltvorgängen mit Koksablagerungen kommen, die den Einsatz dieser Technologie zeitlich stark begrenzen.

In der DE-PS 43 44 846 ist nun ein Verfahren vorgeschlagen worden, mit dem vorgecrackte flüssige Kunststoffe durch thermische destruktive Destillation in kontinuierlicher Verfahrensweise schonend in vorwiegend feste und flüssige Kohlenwasserstoffe abgebaut werden können. Dabei wird die vorgecrackte Kunststoffschmelze einer mit einer Vakuumkolonne verbundenen Destillationseinheit zugeführt, im Sumpf der Kolonne durch eignete Heizeinrichtungen abgebaut und die entstandenen Spaltprodukte zur Verhinderung eines weiteren Abbaues aus der Vakuumkolonne abgezogen. Die Anwendung dieser Technologie ist besonders geeignet zur Herstellung von Paraffin durch thermische Depolymerisation von Polyolefinen. Diese Technologie gestattet zwar einen schonenden thermischen Abbau von Kunststoffen, benötigt jedoch auf Grund eines erforderlichen hohen Flüssigkeitsstandes im Sumpf der Destillationskolonne einen hohen Energiebedarf, der sich ungünstig auf die Wirtschaftlichkeit beim Einsatz dieser Technologie auswirkt.

In der DE-PS 43 33 779 wird eine Vorrichtung zur Behandlung von kohlenwasserstoffhaltigen Stoffen, insbesondere von zu entsorgenden Altstoffen, zur Wiedergewinnung von Rohstoffen aus Rückständen, wie Fehlproduktionschargen, aus Überproduktion u. dgl. in mindestens einem Reaktor vorgeschlagen, wobei durch physikalische und/oder chemische Reaktion andersartige Verbindungen, insbesondere solche mit kürzeren Molekülketten, hergestellt werden sollen. Der Reaktor ist dazu vertikal oder in anderer Form ansteigend angeordnet, unten zur Umgebung hin offen ausgeführt sowie mit Vorrichtungen für die Zu-, Abfuhr und Konditionierung der Atmosphärengase versehen. Eine gezielte Depolymerisation von Altkunststoffen, insbesondere in Kohlenwasserstoffe mit definiertem Kettenlängenbereich ist dieser Vorrichtung nicht möglich.

In der DE-PS 44 18 597 wird ein Reaktor zur Behandlung von Kohlenwasserstoffverbindungen beschrieben, mit dem auch kleinere von zu behandelnden Einsatzprodukten wirkungsvoll und wirtschaftlich aufgearbeitet werden können. Dabei kommt eine Reaktionseinheit zum Einsatz, die einen ersten rohrförmigen Abschnitt, dessen erstes Ende mit der Zuflußkammer in Verbindung steht und einem zweiten rohrförmigen Abschnitt aufweist, in den im Bereich seines ersten Endabschnittes das zweite Ende des ersten rohrförmigen Abschnittes mündet und dessen Ende mit der Abflußkammer in Fluidverbindung steht, und bei der der erste und zweite rohrförmige Abschnitt zumindest bereichsweise eine gemeinsame Wand aufweisen. Durch diese Ausgestaltung der Reaktionseinheit sollen geordnete Strömungsverhältnisse für die zu behandelnden Kohlenwasserstoff-Verbindungen geschaffen werden, da der Crack-Prozeß durch die beiden rohrförmigen Abschnitte der Reaktionseinheit erfolgt. Bei vorgegebener Länge der rohrförmigen Abschnitte soll durch die Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit die Verweildauer in der Reaktionseinheit steuerbar sein. Aber auch mit dieser Vorrichtung ist eine gezielte und schonende thermische Depolymerisation zur Herstellung gasförmiger und vorwiegend flüssiger und fester Kohlenwasserstoffe nicht mit ausreichender wirtschaftlicher Effektivität möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und eine Vorrichtung zu entwickeln, mit der vorwiegend vorabgebaute Kunststoffe, insbesondere werkstofflich nicht mehr verwendbare Altkunststoffe, wirtschaftlich vorteilhaft und technisch steuerbar gezielt vorwiegend in flüssige und feste Kohlenwasserstoffe mit definiertem Kettenlängenbereich abgebaut werden können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen als Vakuumgefäß ausgebildeteten Reaktor mit zylindrischen Oberteil und einem konischen Unterteil gelöst, bei dem im oberen Verschlußteil an einem Produkteintrittsrohr mit Verteilerkopf eine Segnersche Verteileinrichtung mit ein- oder mehrpaarig gegenüberliegend oder gleichmäßig über den Umfang der Verteileinrichtung angeordneten Verteilerrohren angebracht ist. Die Wandung des erfindungsgemäßen Reaktors ist von einem Heizmantel mit einem oder mehreren Heizkreisläufen umgeben, der über den gesamten Umfang mit Heizelementen versehen ist. Zur Verbesserung der Wärmeübertragung können die Heizelemente von einem Wärmeübertragungsmedium umgeben werden. Dabei hat sich die Verwendung einer Salzschmelze zur Erzielung gleichmäßig hoher Innenwandtemperaturen des Reaktors als vorteilhaft erwiesen. Im oberen Verschlußteil des Reaktors befinden sich Stutzen zum Entfernen der entstandenen Spaltprodukte. Am Boden des konischen Unterteiles des Reaktors ist eine Austrittsöffnung zur Entfernung nicht abgebauter flüssiger Anteile des Einsatzproduktes sowie in den Reaktor mit dem Einsatzprodukt eingetragener Fremdbestandteile angeordnet. Die an der Segnerschen Verteilereinrichtung angeordneten Verteilerrohre sind erfindungsgemäß am Ende ihrer der Innenwandung des Reaktors zugeordneten Länge in einem solchen Winkel α angewinkelt, daß die Verteileinrichtung entsprechend der Konsistenz der zugeführten Produktflüssigkeit eine gleichmäßige Eigenbewegung ohne Fremdantrieb ausführt. Der Winkel α liegt dabei erfindungsgemäß bei Werten zwischen 0 < α ≦ 90 Grad.

Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Reaktor ist es möglich, eine gezielte steuerbare und schonende Depolymerisation von Kunststoffen, insbesondere von werkstofflich nicht verwendbaren Altkunststoffen, durchzuführen. Besonders vorteilhaft kann der erfindungsgemäße Reaktor bei der schonenden Depolymerisation von Polyolefinen zur gezielten Herstellung flüssiger und fester Kohlenwasserstoffe, insbesondere fester Kohlenwasserstoffe, mit guten wirtschaftlichen Effekten zur Anwendung gebracht werden. Durch die Möglichkeit, den Füllstand an Flüssigkeit am Boden des Reaktors äußerst niedrig zu halten, wird der Bedarf an Heizenergie im Sumpf des Reaktors im Vergleich mit dem Stand der Technik auf ein Minimum reduziert.

Die Erfindung wird am folgenden Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt

Fig. 2 einen Schnitt A-A durch den zylindrischen Teil des Reaktors.

Der erfindungsgemäße Reaktor besteht aus einem zylinderförmigen Oberteil und einem konisch auslaufenden Unterteil. Im nach außen gewölbten Verschlußteil des Oberteils sind Gasaustrittsstutzen 1 sowie der Schmelzeintrittsstutzen 2 angeordnet. Am starr angeordneten Schmelzeeintrittsstutzen 2 ist der Verteilerkopf 4 über ein Rohrstück 3 angeflanscht. Am Rohrstück 3 ist oberhalb des Verteilerkopfes 4 die Verteileinrichtung 5 mit zwei Verteilerrohren 6 mit im Winkel von ∝ = 45 Grad abgewinkelten Rohrendes drehbar gelagert. Die Reaktorwand 7 ist im Bereich des zylindrischen Oberteiles mit dem Heizmantel 8 umgeben. Innerhalb der Reaktorwand 7 und der Heizmantelwand sind Heizstäbe 9 angeordnet, die zur Verbesserung des Wärmeüberganges in den Reaktor von einer Salzschmelze umgeben sind. Zur Temperaturregelung sind an der Reaktorwand 7 und im Bereich des Heizmantels 8 Temperaturmeßfühler 10 angeordnet. Am Boden des konischen Unterteiles ist ein Sumpfaustrittsstutzen 11 angeordnet.

Zur schonenden Spaltung von poylolefinischer Kunststoffschmelze wird die vorgecrackte Schmelze über den Schmelzeeintrittsstutzen 2 dem Verteilerkopf 4 über die Verteileinrichtung 5 zugeführt und in die Verteilerrohre 6 gedrückt. Entsprechend dem Segnerschen Rotationsprinzip und entsprechend der Anwinkelung der Rohrenden der Rohre 6 sowie der von der Menge der durchfließenden Schmelze und der davon abhängigen Austrittsgeschwindigkeit der Schmelze bewegt sich die Verteileinrichtung 5 ohne Fremdantrieb, wobei die Schmelze gegen die Reaktorwandung geschleudert wird und dort eine Filmbildung erfolgt. Die Filmdicke stellt sich dabei unabhängig vom Volumenstrom der Schmelze ein; sie ergibt sich aus dem Außendurchmesser der abgewinkelten Rohre 6 und dem Winkel ∝ und beträgt bei der schonenden Spaltung von polyolefinischen Kunststoffen ca. 1 mm. Zur schonenden Spaltung der mit Temperaturen bis 390°C zugeführten polyolefinischen Kunststoffschmelze erfolgt die Spaltung im Vakuum bei einem Druck von 4 KPa und einer Temperatur der Reaktorwandung von ca. 430°C sowie einer Verweilzeit von ≦ 2 Sekunden, wobei der gebildete Kunststofffilm schlagartig von 390°C auf 430°C erhitzt wird. Die dabei gebildeten Spaltprodukte werden aufgrund des im Reaktor herrschenden Vakuums sofort von der Reaktorwandung so entfernt und somit einer Totalspaltung zu bei Normaldruck und Normaltemperatur gasförmigen Spaltprodukten entzogen. Für den beschriebenen Anwendungsfall ergibt sich ein Höhe- : Durchmesserverhältnis des zylindrischen Teiles des Reaktors von ≈ 2,6 : 1.

Nicht umgesetzte Anteile der zugeführten Kunststoffschmelze werden am Boden des konischen Reaktorunterteiles füllstandsgeregelt gesammelt und dem Aufschmelz- bzw. Vorcrackprozeß in Kreislauffahrweise oder dem Verteilerkopf 4 über den Sumpfaustrittsstutzen 3 wieder zugeführt.

Die gebildeten Spaltprodukte werden über die Gasaustrittsstutzen 1 zur Weiterverarbeitung durch destillative Trennung unter Vakuum bei 4 KPa aus dem Reaktor entfernt.

Claims (5)

1. Reaktor zur Depolymerisation von Kunststoffen, insbesondere von Altkunststoffen, zur Herstellung gasförmiger, flüssiger und fester Kohlenwasserstoffe mit definiertem Kettenlängenbereich, gekennzeichnet durch ein an der Reaktorwand (7) beheizbares zylindrisches Oberteil und ein konisch ausgebildetes Unterteil, bei dem im oberen Verschlußteil an einem Produkteintrittsstutzen (2) über einen Verteilerkopf (4) eine dem zylindrischen Oberteil zugeordnete Segnersche Verteileinrichtung (5) mit ein oder mehrpaarig gegenüberliegend oder gleichmäßig über den Umfang der Verteileinrichtung (5) angebrachten Verteilerrohren (6) angeordnet ist.

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktorwand (7) des zylindrischen Oberteils von einem Heizmantel (8) mit einem oder mehreren Heizkreisläufen mit Heizelementen (9) und Meßfühlern umgeben ist.

3. Reaktor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteilerkopf (4) an einem am Produkteintrittsstutzen (2) angeordnetem Rohrstück (3) drehbar ist.

4. Reaktor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Verschlußteil Gasaustrittsstutzen (1) angeordnet sind.

5. Reaktor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Boden des konisch ausgebildeten Reaktorunterteiles ein Sumpfaustrittsstutzen (11) angeordnet ist.