ES2968752T3 - Un procedimiento para la conversión catalítica de residuos de plástico en combustible líquido - Google Patents

Un procedimiento para la conversión catalítica de residuos de plástico en combustible líquido Download PDF

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Abstract

La presente divulgación proporciona un método para la conversión catalítica de residuos de plástico en combustible líquido. El método comprende descomponer térmicamente el plástico de desecho a una temperatura en el rango de 350 a 650 °C y bajo una presión en el rango de 0,0010 psi a 0,030 psi, para obtener una corriente gaseosa. La corriente gaseosa se somete además a un enfriamiento secuencial de cuatro etapas a una temperatura en el intervalo de -5 a -15ºC para obtener una mezcla gas-líquido que comprende una fracción gaseosa y una fracción líquida. La mezcla gas-líquido se alimenta al separador gas-líquido para obtener la fracción gaseosa que comprende hidrocarburos C1 a C4 y la fracción líquida que comprende combustible líquido. El método de la presente divulgación es simple, económico y eficiente desde el punto de vista energético, lo que proporciona un combustible líquido de alto valor con un rendimiento mejorado. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Un procedimiento para la conversión catalítica de residuos de plástico en combustible líquido
Campo
La presente divulgación se refiere a un procedimiento para la conversión catalítica de residuos de plástico en combustible líquido.
Antecedentes
La información de antecedentes a continuación en el presente documento se refiere a la presente divulgación pero no es necesariamente la técnica anterior.
La creciente producción y uso de plástico ha convertido al plástico en un componente indeleble de los RSU (Residuos Sólidos Municipales), afectando así al medio ambiente al provocar la contaminación del aire, el agua y el suelo. Las estrictas regulaciones actuales sobre las prácticas tradicionales de gestión de residuos, como la incineración y el vertido, han llevado a encontrar una ruta viable para la eliminación del plástico.
El plástico es un polímero de cientos de monómeros de hidrocarburos unidos que se degradan en varios fragmentos más pequeños en condiciones de temperatura y presión de moderadas a altas, en presencia o ausencia de un catalizador adecuado. Estos fragmentos experimentan reorganización y se reforman en valiosas fracciones de hidrocarburos. La degradación del plástico en fracciones más ligeras, gasolina, residuos de diésel y fracciones que consisten en productos químicos/hidrocarburos valiosos tales como BTX, olefinas y otros se considera reciclaje químico o pirólisis.
Hay varios procesos de pirólisis desarrollados para la conversión del plástico residual en combustible/olefinas/BTX, por ejemplo, pirólisis lenta, pirólisis rápida, pirólisis instantánea, pirólisis térmica, pirólisis catalítica, licuefacción y torrefacción. El documento US 2014/121426 A1 divulga un ejemplo de un proceso de pirólisis conocido. Estos procesos pueden utilizar o no catalizadores para cumplir los objetivos específicos de mejorar el rendimiento de líquido/gas, reducir la formación de carbón y mejorar la eficiencia energética. Sin embargo, los procesos convencionales de pirólisis catalítica llevados a cabo en lechos fijos o fluidizados o CSTR están asociados con ciertos desafíos tales como la calidad de los productos líquidos, la cantidad de producción de carbón, la flexibilidad operativa, la aglomeración y pegajosidad de las partículas de alimentación y el coste general. Convencionalmente, para la pirólisis térmica o catalítica de los residuos de plástico se usan los hornos de calcinación rotatorios, que son comparativamente menos costosos en funcionamiento y mantenimiento; sin embargo, existen varios desafíos sin resolver relacionados con estas unidades de reactores, tales como fugas de las partes móviles y estacionarias de los reactores de horno de calcinación rotatorios, aglomeración, pegajosidad en las paredes del reactor, formación excesiva de carbón en la superficie interna de los reactores, desfluidización en reactores de lecho fluidizado, formación de grumos y obstrucciones al flujo, etc., lo que conduce a subproductos indeseables y a un rendimiento de líquido deficiente. Por lo tanto, se siente la necesidad de un procedimiento continuo y viable para convertir plásticos, preferentemente residuos de plástico, en combustible líquido de alta calidad que mitigue las limitaciones mencionadas anteriormente.
Objetivos
Algunos de los objetivos de la presente divulgación, que al menos un modo de realización en el presente documento satisface, son los siguientes.
Un objetivo de la presente divulgación es mejorar uno o más problemas de la técnica anterior o al menos proporcionar una alternativa útil.
Otro objetivo de la presente divulgación es proporcionar un procedimiento continuo para la conversión catalítica de los residuos de plástico en un combustible líquido de alta calidad con rendimiento mejorado.
Todavía otro objetivo de la presente divulgación es proporcionar un procedimiento a baja temperatura para la conversión catalítica de los residuos de plástico en combustible líquido.
Otro objetivo más de la presente invención es proporcionar un procedimiento continuo para la conversión catalítica de los residuos de plástico en un combustible líquido de alta calidad, que evite la formación de grumos, la pegajosidad de la alimentación sin reaccionar a las paredes interiores del reactor, la formación de alquitrán más pesado, mayor formación de coque y permite el craqueo de hidrocarburos o alquitrán más pesados en un producto líquido de alta calidad.
Otros objetivos y ventajas de la presente divulgación serán más evidentes a partir de la siguiente descripción, que no pretende limitar el alcance de la presente divulgación, alcance que se define en las reivindicaciones adjuntas.
Sumario
La presente divulgación proporciona un procedimiento para la conversión catalítica de residuos de plástico en combustible líquido. El procedimiento comprende mezclar la alimentación de residuos de plástico y un catalizador en una tolva de alimentación (101) para obtener una mezcla. La mezcla se alimenta a un reactor de horno de calcinación rotatorio (108) por medio de un alimentador de tornillo (102). Los residuos de plástico de la mezcla se descomponen térmicamente a una temperatura en el intervalo de 350 a 650 °C y bajo una presión en el intervalo de 6,9 a 207 Pa (0,0010 psi a 0,030 psi), para obtener una corriente gaseosa. La corriente gaseosa se purga del rotador de horno de calcinación rotatorio (108) por medio de un gas portador. La corriente gaseosa purgada se alimenta a un separador ciclónico (110) para separar partículas sólidas de la corriente gaseosa. Las partículas sólidas que comprenden un catalizador residual y partículas de carbón se recogen en un tambor de biocarbón (111). La corriente gaseosa obtenida del separador ciclónico (110) se somete además a un enfriamiento secuencial en una unidad de condensación (112) a una temperatura en el intervalo de -5 a -15 °C para obtener el combustible líquido. Los gases no condensables procedentes de la unidad de condensación (112) se alimentan además al separador gas-líquido (115) para obtener un gas producto que comprende hidrocarburos C<1>a C<4>(117) y la fracción líquida.
La presente divulgación proporciona además un sistema (100) para la conversión de un residuo de plástico en combustible líquido. El sistema comprende una tolva de alimentación (101) adaptada para recoger la alimentación de residuos de plástico; un alimentador de tornillo (102) adaptado para alimentar la alimentación de residuos de plástico y un catalizador a un reactor de horno de calcinación rotatorio (108); el reactor de horno de calcinación rotatorio (108) adaptado para descomponer térmicamente los residuos de plástico; un horno (105) situado externamente al reactor de horno de calcinación rotatorio (108) para quemar un gas de combustión reciclado para alcanzar una temperatura predeterminada en el área anular (107) del reactor de horno de calcinación (108); un tubo cilíndrico (109) situado en el centro del reactor de horno de calcinación rotatorio (108) que está adaptado para facilitar la descomposición térmica de los residuos de plástico en el área anular (107) del reactor de horno de calcinación (108); en el que el tubo cilíndrico (109) está cerrado en ambos extremos; deflectores helicoidales (106) unidos a la pared interior del reactor de horno de calcinación rotatorio (108) de un extremo al otro y adaptados para aumentar el tiempo de residencia del catalizador y del plástico fundido; un ventilador de tiro inducido (114) adaptado para generar presión negativa en el reactor de horno de calcinación rotatorio (108); un separador ciclónico (110) adaptado para separar un catalizador residual y partículas de carbón de la corriente gaseosa generada en el reactor de horno de calcinación rotatorio (108); una unidad de condensación de cuatro fases (112) adaptada para condensar la corriente gaseosa para obtener combustible líquido; una unidad de tanque de recogida de líquido (113) adaptada para recoger el combustible líquido condensado procedente de la unidad de condensación (112) y un separador gas-líquido (115) adaptado para separar los gases no condensables de la fracción líquida.
Breve descripción del dibujo adjunto
La presente divulgación se describirá ahora con la ayuda del dibujo adjunto, en el que:
Lafigura 1ilustra una representación esquemática del procedimiento para la conversión catalítica de los residuos de plástico para producir un combustible líquido de alta calidad.
Lista de números de referencia
Descripción detallada
A continuación se describirán modos de realización de la presente divulgación con referencia al dibujo adjunto.
Se proporcionan modos de realización para transmitir exhaustiva y completamente el alcance de la presente divulgación al experto en la técnica. Se exponen numerosos detalles relacionados con componentes y procedimientos específicos para proporcionar una comprensión completa de los modos de realización de la presente divulgación. Será evidente para el experto en la técnica que los detalles proporcionados en los modos de realización no deben interpretarse como limitantes del alcance de la presente divulgación. En algunos modos de realización, los procesos bien conocidos, las estructuras de aparatos bien conocidos y las técnicas bien conocidas no se describen en detalle.
La terminología usada en la presente divulgación tiene solo el propósito de explicar un modo de realización particular y no se considerará que dicha terminología limite el alcance de la presente divulgación. Tal como se usan en la presente divulgación, se puede pretender que las formas "un", "una" y "el/la" incluyan también las formas plurales, a menos que el contexto sugiera claramente lo contrario. Los términos "comprende", "que comprende", "que incluye" y "que tiene" son frases de transición abiertas y por lo tanto especifican la presencia de rasgos característicos, números enteros, etapas, operaciones, elementos, módulos, unidades y/o componentes indicados, pero no prohíben la presencia o adición de uno o más rasgos característicos, números enteros, etapas, operaciones, elementos, componentes y/o grupos de los mismos. No debe interpretarse que el orden particular de las etapas divulgadas en el procedimiento y proceso de la presente divulgación requiere necesariamente su realización como se describe o ilustra. También debe entenderse que se pueden emplear etapas adicionales o alternativas. Los términos primero, segundo, tercero, etc., no deben interpretarse como limitantes del alcance de la presente divulgación, ya que los términos mencionados anteriormente solo pueden usarse para distinguir un elemento, componente, región, capa o sección de otro componente, región, capa. o sección. Términos tales como primero, segundo, tercero, etc., cuando se usan en el presente documento, no implican una secuencia u orden específico a menos que lo sugiera claramente la presente divulgación.
El consumo de plástico ha aumentado exponencialmente en los últimos años. Las estrictas regulaciones sobre la gestión de residuos de plástico han llevado al desarrollo de diferentes rutas para la eliminación de plástico. Convencionalmente, existen varios procesos de pirólisis para la conversión de los residuos de plástico en combustible/olefinas/BTX. Sin embargo, estos procesos convencionales están asociados con desafíos importantes tales como la calidad de los productos líquidos, la cantidad de producción de carbón y la formación de grumos en el reactor.
Por lo tanto, la presente divulgación proporciona un procedimiento para la conversión catalítica de los residuos de plástico en combustible líquido. El procedimiento se divulga en detalle a continuación.
Inicialmente, la alimentación de residuos de plástico y un catalizador se mezclan conjuntamente en una tolva de alimentación (101) para obtener una mezcla. La mezcla se alimenta a un rotador de horno de calcinación rotatorio (108) por medio de un alimentador de tornillo (102). Los residuos de plástico de la mezcla se descomponen térmicamente a una temperatura en el intervalo de 350 a 650 °C y bajo una presión en el intervalo de 6,9 a 207 Pa (0,0010 psi a 0,030 psi) para obtener una corriente gaseosa. Típicamente, los residuos de plástico de la mezcla se descomponen térmicamente a una temperatura en el intervalo de 350 a 450 °C.
Opcionalmente, los residuos de plástico se trituran y/o se muelen para obtener materiales particulados de plástico del tamaño predeterminado. Típicamente, el tamaño predeterminado de los materiales particulados está en el intervalo de 1 a 10 cm. Los materiales particulados de tamaño predeterminado se mezclan con catalizador para formar una mezcla, que se somete a descomposición térmica a una temperatura en el intervalo de 350 a 650 °C, preferentemente de 350 a 450 °C.
A continuación, la corriente gaseosa se purga del rotador de horno de calcinación rotatorio (108) por medio de un gas portador seleccionado entre nitrógeno, argón y gas producto reciclado (117). La corriente gaseosa purgada se introduce en un separador ciclónico (110) para separar las partículas sólidas de la corriente gaseosa. Las partículas sólidas se recogen en la parte inferior del separador en un tambor de biocarbón (111). Típicamente, las partículas sólidas comprenden un catalizador residual y partículas de carbón.
La corriente gaseosa que está desprovista de partículas sólidas obtenida del separador ciclónico (110) se somete además a un enfriamiento secuencial en una unidad de condensación (112) a una temperatura en el intervalo de -5 a -15 °C para obtener combustible líquido.
Típicamente, la etapa de enfriamiento secuencial de las corrientes gaseosas implica un enfriamiento en cuatro fases de la corriente gaseosa usando un líquido refrigerante seleccionado entre agua y etilenglicol.
En la primera fase (112A) la corriente gaseosa se enfría a 30 °C con ayuda de agua para obtener la primera fracción líquida que comprende hidrocarburos >C<20>que se recogen en el primer tanque de recogida de líquido (113A). En la segunda fase (112B) la corriente gaseosa se enfría a 10 °C con ayuda de agua para obtener una segunda fracción líquida que comprende hidrocarburos C<13>-C<20>, que se recoge en el segundo tanque de recogida de líquido (113B). En la tercera fase (112C) la corriente gaseosa se enfría a 0 °C con ayuda de etilenglicol para obtener una tercera fracción líquida que comprende hidrocarburos C<7>- C<12>, que se recoge en el tercer tanque de recogida de líquido (113C). En la cuarta fase (112D) la corriente gaseosa se enfría a -10 °C con ayuda de etilenglicol para obtener una cuarta fracción líquida que comprende hidrocarburos C<5>-C<6>que se recoge en el cuarto tanque de recogida de líquido (113D).
Los gases no condensables procedentes de la unidad de condensación (112) son enviados al separador gaslíquido (115) para obtener el gas producto (117) que comprende hidrocarburos C<1>-C<4>y la fracción líquida.
Los residuos de plástico se seleccionan del grupo que consiste en polietileno de alta y baja densidad, polietileno lineal de baja densidad, polipropileno, poliestireno, PET, EPDM y combinaciones de los mismos.
El catalizador se selecciona del grupo que consiste en catalizador de FCC gastado, zeolita Y y zeolita ZSM-5. De acuerdo con la presente divulgación, se usa un catalizador de baja acidez para la conversión de los residuos de plástico, lo que suprime el exceso de craqueo y también minimiza la formación de gas seco.
La proporción en peso de la alimentación respecto al catalizador está en el intervalo de 1: 0,1 a 1: 3, preferentemente 1: 0,15 a 1: 1,5.
De acuerdo con un modo de realización de la presente divulgación, el gas producto (117) obtenido del separador gas-líquido (115) que comprende hidrocarburos C<1>-C<4>se envía al sistema de turbina de generación de energía. El gas producto se quema para generar energía.
De acuerdo con otro modo de realización de la presente divulgación, el gas producto (117) obtenido del separador gas-líquido (115) que comprende hidrocarburos C<1>a C<4>se usa como gas portador para purgar la corriente gaseosa procedente del reactor de horno de calcinación rotatorio (108).
De acuerdo con todavía otro modo de realización de la presente divulgación, el gas producto (117) se usa para regenerar catalizador residual en una unidad de regeneración de catalizador (116).
La presente divulgación proporciona además un sistema para la conversión catalítica de residuos de plástico en combustible líquido.
Los residuos de plástico, de los cuales los ejemplos no limitantes incluyen polietileno de alta y baja densidad, polipropileno, EPD<m>y similares y cualquiera de sus combinaciones, se recogen en la tolva de alimentación (101). Opcionalmente, los residuos de plástico se trituran y/o se muelen para obtener materiales particulados de tamaño en el intervalo de 1 a 10 cm.
Los residuos de plástico se mezclan con un catalizador de baja acidez seleccionado entre catalizador de FCC gastado, zeolita Y y ZSM-5 para obtener una mezcla. La mezcla se envía a un reactor de horno de calcinación rotatorio (108) por medio de un alimentador de tornillo (102).
En el reactor de horno de calcinación rotatorio (108), los materiales particulados de la mezcla se descomponen térmicamente para obtener una corriente gaseosa.
De acuerdo con los modos de realización de la presente divulgación, el sistema de alimentación (101 y 102) es una parte estacionaria mientras que el reactor de horno de calcinación (108) está girando con una velocidad en el intervalo de 0,5 a 10 rpm. Además, el ángulo del reactor de horno de calcinación rotatorio se varía con una inclinación de 1 °C a 10 °C.
La parte estacionaria y la parte móvil están conectadas a través de una cubierta inerte o un sistema de sellado de doble bloqueo en el que la introducción de aire en el reactor de horno de calcinación se detiene mediante purga de gas (típicamente N<2>) inerte continua.
El reactor de horno de calcinación rotatorio(108)se calienta externamente por medio de un horno(105)para mantener la temperatura dentro del reactor de horno de calcinación de 350 °C a 650 °C, preferentemente de 350 °C a 450 °C. 1. Típicamente, el ángulo de inclinación del reactor de horno de calcinación rotatorio(108)está en el intervalo de 1 a 10 grados, y la velocidad de rotación está en el intervalo de 0,2 a 20 rpm.
La corriente gaseosa formada en el reactor de horno de calcinación(108)se hace pasar a través de un separador ciclónico(110)para separar las partículas sólidas que comprenden un catalizador residual y partículas de carbón.
El catalizador residual y las partículas de carbón se recogen en la parte inferior del separador ciclónico en un tambor de biocarbón(111)y además se someten a un sistema de descarga de carbón de tolva de bloqueo separado (no se muestra en la figura). Las partículas de carbón se envían a una caldera para la regeneración del catalizador, donde el carbón se quema con aire para generar calor. Además, los gases de combustión(118)generados durante la combustión de carbón se usan para generar energía en un sistema de turbina de generación de energía(120)o pueden encaminarse para calentar el reactor.
La corriente gaseosa procedente del separador ciclónico(110)se somete a un sistema de condensación de cuatro fases(112)compuesto por un sistema de enfriamiento de cuatro fases(112A-112D).
En la primera fase(112A)la corriente gaseosa se enfría a 30 °C con ayuda de agua para obtener la primera fracción líquida que comprende hidrocarburos >C<20>que se recogen en el primer tanque de recogida de líquido(113A). En la segunda fase(112B)la corriente gaseosa se enfría a 10 °C con ayuda de agua para obtener una segunda fracción líquida que comprende hidrocarburos C<13>-C<20>, que se recoge en el segundo tanque de recogida de líquido (113B). En la tercera fase(112C)la corriente gaseosa se enfría a 0 °C con ayuda de etilenglicol para obtener una tercera fracción líquida que comprende hidrocarburos C<7>- C<12>, que se recoge en el tercer tanque de recogida de líquido (113C). En la cuarta fase(112D)la corriente gaseosa se enfría a -10 °C con ayuda de etilenglicol para obtener una cuarta fracción líquida que comprende hidrocarburos C<5>-C<6>que se recoge en el cuarto tanque de recogida de líquido (113D).
El gas producto (117) que comprende gases no condensables (C<1>a C<4>) que sale de la unidad de condensación(112)se separa de la fracción líquida en el separador gas-líquido(115).
El gas producto separado(117)se envía a al menos una unidad seleccionada del sistema de turbina de generación de energía(120)para generar energía, el reactor de horno de calcinación rotatorio(108)para purgar la corriente gaseosa y la unidad de regeneración de catalizador(116)para regenerar el catalizador residual.
De acuerdo con la presente divulgación, el reactor de horno de calcinación se hace funcionar bajo presión negativa. Un ventilador de tiro inducido(114)se incorpora para mantener la presión del reactor en el intervalo de 6,9 a 207 Pa (0,0010 psi a 0,030 psi) en la sección corriente abajo de la unidad, es decir, después de la sección de enfriamiento de la fracción gaseosa.
De acuerdo con la presente divulgación, un tubo cilíndrico(109)se fija dentro del reactor de horno de calcinación(108)para minimizar el tiempo de residencia del vapor. Esta disposición ayuda además a minimizar el exceso de craqueo térmico de los vapores de hidrocarburos del producto en productos no deseados dentro del reactor. También ayuda a maximizar el rendimiento de líquido y minimizar los productos de gas y carbón dentro del reactor. La corriente gaseosa y el material sólido (alimentación/catalizador/carbón, etc.) fluirán a través del espacio anular entre el reactor de horno de calcinación(108)y el tubo cilíndrico ficticio(109).
Además, deflectores helicoidales(106)están unidos a la pared interior del reactor de horno de calcinación rotatorio(108)de un extremo al otro extremo. Deflectores helicoidales internos(106)ayudan a aumentar el tiempo de residencia del plástico fundido y el catalizador, lo que mejora aún más la conversión.
El sistema comprende además una unidad de regeneración de catalizador.(116)adaptada para regenerar catalizador y un sistema de turbina de generación de energía(120)adaptado para generar energía.
La presente divulgación proporciona un procedimiento catalítico de baja energía para convertir los residuos de plástico en combustible líquido de alta calidad con alto rendimiento. El procedimiento de la presente divulgación no requiere una fuente de energía externa para el procesamiento. El gas no condensado generado durante el proceso se puede usar para proporcionar energía, lo que hace que el procedimiento sea autosuficiente y económico.
La descripción anterior de los modos de realización se ha proporcionado con fines ilustrativos y no pretende limitar el alcance de la presente divulgación. Los componentes individuales de un modo de realización particular en general no se limitan a ese modo de realización particular, sino que son intercambiables. Dichas variaciones no deben considerarse como una desviación de la presente divulgación, y se considera que todas dichas modificaciones están dentro del alcance de la presente divulgación tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.
La presente divulgación se describe con más detalle a la luz de los siguientes experimentos que se exponen solo con fines ilustrativos y no deben interpretarse como limitantes del alcance de la divulgación. Los siguientes experimentos se pueden ampliar a escala industrial/comercial y los resultados obtenidos se pueden extrapolar a escala industrial.
Detalles experimentales
Ejemplo 1: Preparación de la muestra
Se tomó una muestra de residuos de plástico (residuos de plástico mixtos disponibles comercialmente) cuyo tamaño de partícula varía entre 0,5 cm y 5 cm. El análisis elemental de la muestra de alimentación se proporciona a continuación en la tabla 1.
Tabla 1:Análisis elemental de residuos de plástico mixtos típicos
Ejemplo 2-5: Conversión catalítica de los residuos de plástico en un combustible líquido de alta calidad de acuerdo con la presente divulgación
Procedimiento general:
Se llevaron a cabo una serie de experimentos en un reactor a escala de laboratorio para confirmar la actividad catalítica del catalizador propuesto, es decir, catalizador de FCC gastado en refinería (E-Cat) de acuerdo con la presente divulgación.
Los experimentos sobre la conversión catalítica de los residuos de plástico se llevaron a cabo en un reactor de lecho fijo a escala de laboratorio que consiste en un reactor tubular vertical (1 pulgada de diámetro interior y 10 pulgadas de longitud), que se calentó mediante un horno eléctrico. Inicialmente, el reactor se cargó con una cantidad dada de la alimentación de residuos de plástico del ejemplo 1 y un catalizador de FCC gastado. La proporción del catalizador respecto a la alimentación de residuos de plástico estaba en el intervalo de 0,1 a 5. El horno se calentó hasta 750 °C. A continuación, el reactor se sumergió repentinamente en el horno para alcanzar una velocidad de calentamiento más alta, de un mínimo de 100 °C/min, para la descomposición térmica de los residuos de plástico.
Las condiciones de reacción incluyen una temperatura predeterminada específica, típicamente en el intervalo de 350 a 650 °C, presión atmosférica y un tiempo de residencia del vapor de unos pocos segundos. El caudal de nitrógeno fue de 60 ml/min para purgar continuamente la corriente gaseosa del reactor. La temperatura del tanque de líquido refrigerante se ajustó entre -10 y -15 °C mediante un líquido refrigerante (etilenglicol) para que los vapores se condensaran dentro del separador gas-líquido y el líquido orgánico se recogiera en el recipiente, en la parte inferior del separador gas-líquido. Los gases no condensables se hicieron pasar, además, a un sistema de sifón (procedimiento de desplazamiento de agua) donde el agua desplazada se recogía en otro tanque.
Después de completar la ejecución del experimento (20 minutos), se recogió el gas total y se analizó mediante cromatografía de gases. El rendimiento de producto líquido se calculó mediante la diferencia de peso total del separador gas-líquido antes y después de la reacción.
Una vez completado el experimento, se obtuvo la conversión de carbón midiendo el residuo sólido usando un analizador de C-S (carbono-azufre). La calidad del líquido se analizó mediante el analizador SIMDIST.
Condiciones experimentales:
El ejemplo 2 se llevó a cabo usando el mismo procedimiento experimental descrito anteriormente en el presente documento a 400 °C en presencia de catalizador de FCC gastado.
El ejemplo 3 se llevó a cabo usando el mismo procedimiento experimental descrito anteriormente en el presente documento a 500 °C en presencia de catalizador de FCC gastado.
El ejemplo comparativo 4 se llevó a cabo usando el mismo procedimiento experimental descrito anteriormente en el presente documento a 400 °C, excepto en ausencia de catalizador.
El ejemplo comparativo 5 se llevó a cabo usando el mismo procedimiento experimental descrito anteriormente en el presente documento a 500 °C, excepto en ausencia de catalizador.
Los resultados de los ejemplos 2-5 se tabulan a continuación en la tabla 2.
Tabla 2:Efecto del catalizador sobre la conversión de los residuos de plástico
A partir de la tabla 2, es evidente que la conversión catalítica de los residuos de plástico en presencia del catalizador mostró rendimientos mejorados de combustible líquido y una formación reducida de carbón en comparación con la conversión térmica en ausencia de catalizador. El catalizador de FCC gastado usado en el proceso se caracteriza por un tamaño de poro y área superficial pequeños y menor actividad de los sitios ácidos fuertes y débiles debido a la deposición de metales y coque sobre su superficie. La menor actividad ayudó a reducir el mayor craqueo catalítico secundario de los vapores de hidrocarburos líquidos. Además, el producto líquido obtenido por conversión catalítica de los residuos de plástico tiene una mayor concentración de gasolina.
Ejemplos 6-10: Efecto de la temperatura del reactor sobre la conversión de residuos de plástico
Los ejemplos 6-10 se llevaron a cabo usando el mismo procedimiento experimental descrito anteriormente en el presente documento variando la temperatura en el intervalo de 350 a 550 °C.
Los resultados de los ejemplos 6-10 se tabulan a continuación en la tabla 3.
Tabla 3:Efecto de la temperatura sobre la conversión catalítica de los residuos de plástico
A partir de la tabla 3, es evidente que la conversión de residuos plásticos aumentó con el aumento de la temperatura y la formación de plásticos no convertidos disminuyó con el aumento de la temperatura. La diferencia en los rendimientos es un reflejo de la temperatura a la que se pirolizan estas alimentaciones. La conversión a temperatura más baja se puede aumentar aumentando la proporción de catalizador respecto a alimentación, lo que producirá aún más gas, debido al exceso de craqueo catalítico de los vapores. Los rendimientos de gas aumentaron a temperaturas más altas debido al craqueo térmico y catalítico secundario de los vapores de hidrocarburos a temperaturas más altas. También se puede observar que el contenido de gasolina del producto líquido aumenta al aumentar la temperatura debido al exceso de craqueo térmico de las fracciones más pesadas en el producto líquido.
Ejemplos 11-16: Efecto de la proporción de catalizador respecto a alimentación sobre la conversión de residuos de plástico
Los ejemplos 11-16 se llevaron a cabo usando el mismo procedimiento experimental descrito anteriormente en el presente documento variando la proporción de catalizador respecto a alimentación en el intervalo de 0 a 4.
Los resultados de los ejemplos 11-16 se tabulan a continuación en la tabla 4.
Tabla 4:Efecto de la carga de catalizador sobre la conversión catalítica de los residuos de plástico
A partir de la tabla 4, se puede ver que una proporción óptima de catalizador respecto a alimentación está en el intervalo de 0,2-1,0 para obtener el máximo rendimiento de líquido. El rendimiento de gas aumenta con la proporción de catalizador respecto alimentación debido al sobrecraqueo acelerado de fracciones de hidrocarburos >C5 en presencia del exceso de catalizador.
Ejemplos 17-21: Reutilizabilidad del catalizador
La reutilizabilidad del catalizador se verificó llevando a cabo los experimentos en el reactor de lecho fijo a una temperatura constante de 450 □ y con una proporción constante de catalizador respecto a alimentación = 0,2 con residuos de plástico mixtos que se muestran en la tabla 5.
Después de completar los experimentos, el catalizador recuperado se regeneró y luego se usó para el siguiente experimento con alimentación nueva en condiciones operativas similares. Este proceso se repitió varias veces para comprobar la calidad de rendimiento del producto en función de la pérdida de actividad del catalizador. Puede observarse que el catalizador no perdió muchos de los sitios activos necesarios para la conversión de los residuos de plástico.
Tabla 5:Efecto de la reutilizabilidad del catalizador
Ejemplos 22-33: Efecto del ángulo de inclinación, la velocidad de rotación del reactor del horno de calcinación y la adición de tubo cilíndrico y deflectores helicoidales sobre el tiempo de residencia
Inicialmente, se llevaron a cabo RTD (estudios con trazadores) con catalizadores y gránulos de alimentación de residuos de ABS para optimizar el ángulo de inclinación (grados) así como la velocidad de rotación del reactor de horno de calcinación. La tabla 6 muestra la variación del tiempo de residencia del sólido con el ángulo de inclinación a una velocidad de rotación constante para una alimentación determinada (gránulos de alimentación de residuos de ABS) y catalizador (catalizador/alimentación = 0,2) para optimizar el ángulo de inclinación (grados) a una velocidad de rotación del reactor constante de 1,5 rpm.
Tabla 6:Efecto del ángulo de inclinación del horno de calcinación sobre el tiempo de residencia
Tabla 7:Efecto de la rotación del reactor (rpm) sobre el tiempo de residencia
A partir de las tablas 6 y 7, es evidente que las condiciones optimizadas para el ángulo de inclinación y la rotación del reactor elegidas para la experimentación piloto fueron 1,2 grados y 1,5 rpm respectivamente.
También se estudió el efecto de la adición de un modo de realización de tubo cilíndrico cerrado desde ambos extremos soldados al reactor para reducir el tiempo de residencia del vapor y la adición de deflectores helicoidales en la pared interior del horno de calcinación de extremo a extremo para aumentar el tiempo de residencia de los polímeros fundidos. La tabla 8 desarrolla el efecto de la adición de tubos cilíndricos y deflectores helicoidales.
Tabla 8:Efecto de la adición de tubos cilíndricos y deflectores helicoidales.
Se observa en el experimento (33-36) que el efecto del tiempo de residencia sobre la conversión de los residuos de plástico en un horno de calcinación rotatorio es que hay una formación de gas superior y grumos aglomerados significativos y material pegajoso de alimentación sin reaccionar mezclada con carbón. El exceso de craqueo secundario se minimizó reduciendo el área libre del reactor con la ayuda de un modo de realización cilíndrico (20 cm de diámetro y 230 cm de longitud) cerrado por ambos extremos unido a la entrada y salida del reactor de horno de calcinación que de ahora en adelante giraba junto con el horno de calcinación. El cilindro sólido cerrado aumentó la velocidad de los vapores para purgar fuera del horno de calcinación, reduciendo así su tiempo de residencia a casi la mitad del valor original (es decir, caso del reactor como tal).
La adición de deflectores helicoidales en las paredes interiores del horno de calcinación ayudó a la mezcla axial del catalizador con polímeros fundidos, lo que aumentó el tiempo de residencia del sólido y mejora la conversión de la materia prima. La combinación de un tiempo de residencia más bajo y un tiempo de residencia del sólido más alto con una proporción de catalizador respecto a alimentación, temperatura, rotación del reactor y ángulo de inclinación óptimos produjo un líquido alto con una fracción máxima de gasolina.
Ejemplos 37-41:Se muestra el efecto de la conversión catalítica de diferentes materias primas de residuos plásticos en las condiciones optimizadas descritas anteriormente en el presente documento a una velocidad de 10 kg/h.
Se llevaron a cabo una serie de experimentos sobre el efecto de la conversión en diferentes materias primas residuales con catalizador de FCC gastado en una proporción de C/F = 0,2, a la temperatura de reacción deseada, reacción en la cámara anular en presencia de deflectores unidos a las paredes interiores del reactor. Se muestra que la velocidad de alimentación se mantuvo a una velocidad constante de 10 kg/h durante 3 horas. Cinco tipos diferentes de residuos de plástico fueron: juguetes de acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), gránulos de artículos para el hogar, tuberías de desagüe y artículos para el hogar, gránulos de polietileno de alta densidad (HDPE), residuos de bolsas de transporte de categoría de película de polietileno (PE) lineal de baja densidad y mezcla de bolsas de leche, residuos de pajitas de polipropileno (PP) y residuos de plástico eléctricos y electrónicos de poliestireno (PS), se usan muestras para estudiar la conversión catalítica a las temperaturas deseadas.
El ángulo de inclinación se mantuvo en 1,2 grados y el reactor de horno de calcinación se hace girar a 1,5 rpm durante la experimentación. La temperatura interior del reactor se mantiene constantemente a la temperatura de reacción deseada. La presión del reactor se mide con un manómetro de agua y se mantiene constantemente a una columna de agua de -2 mm durante todas las ejecuciones experimentales.
La velocidad de alimentación se mantuvo a una velocidad constante de 10 kg/h durante 3 horas y se utilizó el catalizador de FCC gastado (E-Cat) con una proporción de catalizador respecto a alimentación de 0,2. Se usaron cinco tipos diferentes de materias primas de residuos de plástico, tales como residuos de gránulos de acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), residuos de gránulos de polietileno de alta densidad (HDPE), residuos de bolsas de transporte de categoría de película de polietileno (PE) lineal de baja densidad y mezcla de bolsas de leche, residuos de pajitas de polipropileno (PP) y residuos de plástico eléctricos y electrónicos de poliestireno (PS), se usan muestras para estudiar la conversión catalítica a diferentes temperaturas.
Los resultados de los ejemplos 37-41 se tabulan a continuación en la tabla 9.
Tabla 9:Efecto de diferentes tipos de muestras de materia prima de residuos de plástico sobre la carga de catalizador en la cámara anular del horno de calcinación rotatorio
A partir de la tabla 9, es evidente que el proceso de la presente divulgación convierte eficazmente diferentes tipos de plástico en combustible líquido de alta calidad. Las temperaturas se optimizan en función de los mayores rendimientos de producto líquido obtenidos en los estudios de laboratorio. El rendimiento de líquido fue menor para las mezclas de películas de LLDPE y LDPE de residuos de plástico, mientras que los demás dieron rendimientos casi similares. El rendimiento de gas y el rendimiento de carbón fueron más bajos y más altos con mezclas de residuos de películas de LLDPE y LDPE debido a la intensidad de ramificación y a la menor reticulación de los polímeros, lo que afectó a la distribución del producto. La diferencia en los rendimientos es un reflejo de la temperatura, la especificación de la alimentación y la naturaleza del catalizador usado en el que se pirolizan estas alimentaciones.
Ejemplos 42-46:En los experimentos 26 a 30 se estudia el efecto de diferentes tipos de muestras de residuos de plástico sin carga de catalizador en la cámara anular del horno de calcinación rotatorio.
Tabla 10:Efecto de diferentes tipos de muestras de materia prima de residuos de plástico sin carga de catalizador
Se observa en los experimentos de conversión térmica 42-46 que hay una formación de grumos aglomerados significativos y material pegajoso de alimentación sin reaccionar mezclada con carbón en las paredes interiores del reactor. Todos estos problemas operativos no se observaron en el caso de experimentos de conversión catalítica (37-41). Presencia de aglomeración resuelta de polímeros no convertidos y materiales pegajosos dentro de la cámara anular del horno de calcinación.
Avances técnicos
La presente divulgación descrita anteriormente en el presente documento tiene varias ventajas técnicas que incluyen, pero sin limitarse a, la realización de un proceso para la conversión catalítica de los residuos de plástico en combustible líquido, es decir
- llevado a cabo a temperaturas significativamente más bajas, proporcionando así un proceso energéticamente eficiente;
- sencillo y económico; y
- capaz de proporcionar un alto rendimiento de líquido con un mayor contenido de gasolina.
Los modos de realización en el presente documento y los diversos rasgos característicos y detalles ventajosos de los mismos se explican con referencia a los modos de realización no limitantes en la siguiente descripción. Se omiten las descripciones de componentes y técnicas de procesamiento bien conocidos para no oscurecer innecesariamente los modos de realización en el presente documento. Los ejemplos usados en el presente documento están destinados simplemente a facilitar la comprensión de las formas en que se pueden poner en práctica los modos de realización en el presente documento y permitir aún más a los expertos en la técnica poner en práctica los modos de realización en el presente documento. En consecuencia, los ejemplos no deben interpretarse como limitantes del alcance de los modos de realización en el presente documento.
El uso de la expresión "al menos" o "al menos uno" sugiere el uso de uno o más elementos o ingredientes o cantidades, según pueda ser el uso en el modo de realización de la divulgación para lograr uno o más de los objetivos o resultados deseados.
Cualquier discusión sobre documentos, actos, materiales, dispositivos, artículos o similares que se hayan incluido en esta memoria descriptiva tiene únicamente el propósito de proporcionar un contexto para la divulgación. No debe considerarse como una admisión de que alguno o todos estos asuntos forman parte de la base de la técnica anterior o eran conocimiento general común en el campo relevante para la divulgación tal como existía en cualquier lugar antes de la fecha de prioridad de esta solicitud.
Los valores numéricos mencionados para los diversos parámetros físicos, dimensiones o cantidades son solo aproximaciones y se prevé que los valores superiores/inferiores a los valores numéricos asignados a los parámetros, dimensiones o cantidades entren dentro del alcance de la divulgación, a menos que exista una declaración en la memoria descriptiva que especifique lo contrario.
Si bien en el presente documento se ha puesto un énfasis considerable en los componentes y partes componentes de los modos de realización preferentes, se apreciará que se pueden realizar muchos modos de realización y que se pueden realizar muchos cambios en los modos de realización preferentes sin apartarse de los principios de la divulgación. Estos y otros cambios en el modo de realización preferente, así como otros modos de realización de la divulgación, serán evidentes para los expertos en la técnica a partir de la divulgación en el presente documento, por lo que debe entenderse claramente que el material descriptivo anterior debe interpretarse meramente como ilustrativo de la divulgación y no como una limitación, y que es el alcance de las reivindicaciones lo que define la invención.

Claims (1)

  1. REIVINDICACIONES
    1.Un procedimiento para la conversión catalítica de residuos de plástico en combustible líquido, comprendiendo el procedimiento las siguientes etapas:
    i. mezclar la alimentación de residuos de plástico y un catalizador en una tolva de alimentación.(101)para obtener una mezcla;
    ii. alimentar la mezcla a un rotador de horno de calcinación rotatorio(108)por medio de un alimentador de tornillo(102);
    iii. descomponer térmicamente los residuos de plástico de la mezcla a una temperatura en el intervalo de 350 a 650 °C y bajo una presión en el intervalo de 6,9 a 207 Pa (0,0010 psi a 0,030 psi), para obtener una corriente gaseosa;
    iv. purgar la corriente gaseosa del rotador de horno de calcinación rotatorio(108)por medio de gas portador;
    v. alimentar la corriente gaseosa purgada a un separador ciclónico(110)para separar partículas sólidas de la corriente gaseosa;
    vi. someter a la corriente gaseosa obtenida del separador ciclónico(110)a enfriamiento secuencial en una unidad de condensación(112)a una temperatura en el intervalo de -5 a -15 °C para condensar el combustible líquido;
    vii. recoger el combustible líquido condensado en un tanque de recogida de líquido(113); y viii. alimentar el gas no condensable de la unidad de condensación.(112)a un separador gas-líquido(115)para separar un gas producto(117)que comprende hidrocarburos C<1>a C<4>y la fracción líquida.
    2.El procedimiento como se reivindica en la reivindicación 1 comprende además triturar y/o moler la alimentación de residuos de plástico antes de mezclarla con el catalizador para obtener los materiales particulados de un tamaño predeterminado;
    en el que el tamaño predeterminado de los materiales particulados está en el intervalo de 1 a 10 cm. 3 El procedimiento como se reivindica en la reivindicación 1, en el que la alimentación de residuos de plástico se selecciona del grupo que consiste en polietileno de alta y baja densidad, polietileno lineal de baja densidad, polipropileno, poliestireno, PET, EPDM y combinaciones de los mismos.
    4 El procedimiento como se reivindica en la reivindicación 1, en el que el catalizador se selecciona del grupo que consiste en catalizador de FCC gastado, zeolita Y y zeolita ZSM-5.
    5.El procedimiento como se reivindica en la reivindicación 1, en el que la proporción en peso de la alimentación respecto al catalizador está en el intervalo de 1: 0,1 a 1: 3.
    6 El procedimiento como se reivindica en la reivindicación 1, en el que el gas portador se selecciona entre nitrógeno, argón y el gas producto(117).
    7-El procedimiento como se reivindica en la reivindicación 1, en el que las partículas sólidas separadas en el separador ciclónico comprenden un catalizador residual y partículas de carbón; y
    en el que las partículas sólidas se recogen en un tambor de biocarbón(111).
    El procedimiento como se reivindica en la reivindicación 1, en el que la etapa de enfriamiento secuencial de la corriente gaseosa implica un enfriamiento en cuatro fases por medio de líquido refrigerante, en el que • en la primera fase(112A), la corriente gaseosa se enfría a de 30 a 20 °C para condensar el combustible líquido que comprende hidrocarburos de más de C<20>;
    • en la segunda fase(112B), la corriente gaseosa se enfría a de 15 a 10 °C para condensar el combustible líquido que comprende hidrocarburos C<13>-C<20>;
    • en la tercera fase(112C), la corriente gaseosa se enfría a de 5 a 0 °C para condensar el combustible líquido que comprende hidrocarburos C<7>-C<12>; y
    • en la cuarta fase(112D), la corriente gaseosa se enfría a de -20 a -10 °C para condensar el combustible líquido que comprende hidrocarburos C<5>-C<6>.
    9 El procedimiento como se reivindica en la reivindicación 8, en el que el líquido refrigerante se selecciona entre agua y etilenglicol o en el que en la primera y segunda fase, se usa agua como líquido refrigerante o en el que en la tercera y cuarta fase, se usa etilenglicol como líquido refrigerante
    10.El procedimiento como se reivindica en la reivindicación 1, en el que el proceso comprende además alimentar el gas producto(117)que comprende hidrocarburos C<1>a C<4>al sistema de turbina de generación de energía(120)para la generación de energía.
    11.El procedimiento como se reivindica en la reivindicación 1 o la reivindicación 7, en el que el catalizador residual se regenera en una unidad de regeneración de catalizador(116).
    12.Un sistema(100)para la conversión de residuos de plástico en un combustible líquido, comprendiendo el sistema:
    a. una tolva de alimentación(101)adaptada para recoger la alimentación de residuos de plástico; b. un alimentador de tornillo(102)adaptado para alimentar una alimentación de residuos de plástico y un catalizador a un reactor de horno de calcinación rotatorio(108);
    c. el reactor de horno de calcinación rotatorio(108)adaptado para descomponer térmicamente los residuos de plástico;
    d. un tubo cilíndrico(109)situado en el reactor de horno de calcinación rotatorio(108)y adaptado para facilitar la descomposición térmica de los residuos de plástico en el área anular del reactor de horno de calcinación y para aumentar una velocidad del vapor producto; en el que el tubo cilíndrico(109)está cerrado en ambos extremos;
    e. deflectores helicoidales(106)unidos a la pared interior del reactor de horno de calcinación rotatorio(108)de un extremo a otro extremo y adaptados para aumentar el tiempo de residencia del catalizador y del plástico fundido;
    f. un ventilador de tiro(114)adaptado para generar presión negativa en el reactor de horno de calcinación rotatorio(108);
    g. un separador ciclónico(110)adaptado para separar el catalizador residual y las partículas de carbón de la corriente gaseosa generada en el reactor de horno de calcinación rotatorio.(108)para obtener una corriente gaseosa;
    h. un tambor de biocarbón(111)adaptado para recoger partículas sólidas separadas en el separador ciclónico(110);
    i. una unidad de condensación de cuatro fases(112)adaptada para enfriar la corriente gaseosa; j. una unidad de tanque de recogida de líquido(113)adaptada para recoger el líquido condensado procedente de la unidad de condensación(112); y
    k. un separador gas-líquido(115)adaptado para separar gases no condensables de la fracción líquida.
    13.El sistema como se reivindica en la reivindicación 12, comprende además una unidad de regeneración de catalizador(116)adaptada para regenerar el catalizador.
    14.El sistema como se reivindica en la reivindicación 12, comprende además un sistema de turbina de generación de energía(120)adaptado para generar energía.
    15.El sistema como se reivindica en la reivindicación 12, en el que el ángulo de inclinación del reactor de horno de calcinación rotatorio(108)está en el intervalo de 1 a 10 grados o en el que la velocidad de rotación del reactor de horno de calcinación rotatorio (108) está en el intervalo de 0,2 a 20 rpm.
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