FR3128717A1 - Process for processing polymeric materials - Google Patents
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Abstract
Procédé de traitement de matériaux polymériques, de préférence polyoléfiniques, dans lequel (a) on soumet les matériaux polymériques à un traitement de dépolymérisation comprenant au moins un traitement avec de l’hydrogène, de manière à former au moins une première fraction comprenant des alcanes liquides ou solides et une deuxième fraction comprenant au moins des hydrocarbures, de préférence gazeux et; (b) on introduit des hydrocarbures contenus dans la deuxième fraction dans une étape de décomposition catalytique des hydrocarbures en hydrogène et carbone.Process for the treatment of polymeric materials, preferably polyolefinic, in which (a) the polymeric materials are subjected to a depolymerization treatment comprising at least one treatment with hydrogen, so as to form at least a first fraction comprising liquid alkanes or solids and a second fraction comprising at least hydrocarbons, preferably gaseous and; (b) the hydrocarbons contained in the second fraction are introduced into a stage of catalytic decomposition of the hydrocarbons into hydrogen and carbon.
Description
La présente invention concerne un procédé de traitement de déchets polyoléfiniques. Elle concerne également un procédé de co-production d’alcanes liquides et/ou solides, d’hydrogène et de carbone.The present invention relates to a method for treating polyolefinic waste. It also relates to a process for the co-production of liquid and/or solid alkanes, hydrogen and carbon.
Le marché mondial des polyoléfines (polyéthylène, polypropylène, polystyrène) représente en 2020 plus de 200 millions de tonnes. Environ 50% du polyéthylène est utilisé sous forme de films, le reste sous forme de produits injectés, câbles, tuyauteries etc. Pour ce qui concerne le polypropylène, l’essentiel des utilisations concerne les produits injectés tel que les emballages, les jouets, produits pour automobile et le reste sous forme de films, tuyauteries , fibres etc. La valorisation des produits en fin de vie, donc également après les opérations de recyclage physique (moins de 15% des polyoléfines en 2020) est donc un enjeu sociétal majeur.The world market for polyolefins (polyethylene, polypropylene, polystyrene) represents in 2020 more than 200 million tons. About 50% of the polyethylene is used in the form of films, the rest in the form of injected products, cables, pipes, etc. As far as polypropylene is concerned, most of the uses concern injected products such as packaging, toys, automotive products and the rest in the form of films, pipes, fibers, etc. The recovery of end-of-life products, therefore also after physical recycling operations (less than 15% of polyolefins in 2020) is therefore a major societal issue.
Généralement, le recyclage chimique des polymères par dépolymérisation, représente aujourd’hui moins de 5% de la production mondiale, et les prévisions tablent sur 20-25% en 2030. Dans cette évolution, la part des polyoléfines est faible, ce qui est une conséquence naturelle de la difficulté à rompre les liaisons C-C à basse température.Generally, the chemical recycling of polymers by depolymerization today represents less than 5% of world production, and forecasts count on 20-25% in 2030. In this evolution, the share of polyolefins is low, which is a a natural consequence of the difficulty in breaking C-C bonds at low temperatures.
Il a été proposé de convertir des déchets polyoléfiniques en alcanes liquides pouvant être utilisés, par exemple, comme lubrifiants voir par exemple EP-A-620264 et WO-A-2010/136850. Ce procédé consomme beaucoup d’énergie et de l’hydrogène. Aussi, il produit des fractions d'alcanes gazeux qui sont des gaz à effet de serre.It has been proposed to convert polyolefinic waste into liquid alkanes which can be used, for example, as lubricants see for example EP-A-620264 and WO-A-2010/136850. This process consumes a lot of energy and hydrogen. Also, it produces fractions of gaseous alkanes which are greenhouse gases.
Un autre procédé est décrit dans WO-A-2019/234408 selon lequel des déchets polymériques sont décomposés en hydrogène et du carbone avec un catalyseur à base de fer ou de l’oxyde de fer sous rayonnement électromagnétique. Ce procédé est de mise en œuvre difficile à échelle industrielle vu les importants investissements nécessaires pour mettre à disposition des microondes pour traiter de grands volumes de déchets. Aussi, ce procédé continue à produire des quantités conséquentes de fraction gazeuses néfastes, contenant des alcanes, du CO2 et du CO toxique.Another process is described in WO-A-2019/234408 according to which polymeric waste is decomposed into hydrogen and carbon with an iron-based catalyst or iron oxide under electromagnetic radiation. This process is difficult to implement on an industrial scale given the large investments required to make microwaves available to treat large volumes of waste. Also, this process continues to produce substantial quantities of harmful gaseous fractions, containing alkanes, CO2 and toxic CO.
L’invention met à disposition un procédé amélioré et plus respectueux de l'environnement de traitement de matériaux polymériques, en particulier de déchets polyoléfiniques permettant une meilleure valorisation des déchets polyoléfiniques.The invention provides an improved and more environmentally friendly process for the treatment of polymeric materials, in particular polyolefinic waste, allowing better recovery of the polyolefinic waste.
L’invention concerne dès lors un procédé de traitement de matériaux polymériques, de préférence polyoléfiniques, dans lequel
(a) on soumet les matériaux polymériques à un traitement de dépolymérisation comprenant au moins un traitement avec de l’hydrogène, de manière à former au moins une première fraction comprenant des alcanes liquides et/ou solides et une deuxième fraction comprenant au moins des hydrocarbures, de préférence gazeux et;
(b) on introduit des hydrocarbures contenus dans la deuxième fraction dans une étape de décomposition catalytique des hydrocarbures en hydrogène et carbone.The invention therefore relates to a method for treating polymeric materials, preferably polyolefinic materials, in which
(a) the polymeric materials are subjected to a depolymerization treatment comprising at least one treatment with hydrogen, so as to form at least a first fraction comprising liquid and/or solid alkanes and a second fraction comprising at least hydrocarbons , preferably gaseous and;
(b) the hydrocarbons contained in the second fraction are introduced into a stage of catalytic decomposition of the hydrocarbons into hydrogen and carbon.
De manière surprenante, le procédé selon l’invention permet une production nette d’hydrogène et un rendement élevé en alcanes liquides ou solides tout en évitant la co-production de quantités substantielles de gaz à effet de serre ou toxiques. Il a été trouvé que les fractions d’hydrocarbures et notamment le méthane contenu dans ces fractions est de qualité suffisante pour alimenter une étape de craquage catalytique en hydrogène et carbone. Il a été trouvé que le procédé de dépolymérisation peut produire des fractions d’hydrocarbures, de préférence à l’état gazeux, en quantité suffisante, qui peuvent être converties, de façon respectueuse de l’environnement en hydrogène pour les besoins de la dépolymérisation voire produire un excès substantiel d’hydrogène.Surprisingly, the process according to the invention allows a net production of hydrogen and a high yield of liquid or solid alkanes while avoiding the co-production of substantial quantities of greenhouse or toxic gases. It has been found that the hydrocarbon fractions and in particular the methane contained in these fractions is of sufficient quality to supply a stage of catalytic cracking with hydrogen and carbon. It has been found that the depolymerization process can produce hydrocarbon fractions, preferably in the gaseous state, in sufficient quantity, which can be converted, in an environmentally friendly manner, into hydrogen for the needs of the depolymerization or even produce a substantial excess of hydrogen.
Aux fins de la présente invention, les termes “solide”, “liquide” et “gazeux” se rapportent à l’état d’un matériau à des conditions normales, à savoir une température de 25°C et une pression atmosphérique 101325 Pascal (1 atmosphère).For the purposes of the present invention, the terms “solid”, “liquid” and “gaseous” refer to the state of a material under normal conditions, namely a temperature of 25°C and an atmospheric pressure of 101325 Pascal ( 1 atmosphere).
Les matériaux polymériques mis en œuvre dans le procédé selon l’invention peuvent être par exemple, des polymères contenant des hétéroatomes, tels que les polyésters, les polyamides ou les poiyuréthanes. De préférence, les matériaux polymériques comprennent des polyoléfines. Des exemples de polyoléfines préférées sont choisis parmi le polyéthylène, le polypropylène et le polystyrène.The polymeric materials used in the process according to the invention can be, for example, polymers containing heteroatoms, such as polyesters, polyamides or polyurethanes. Preferably, the polymeric materials include polyolefins. Examples of preferred polyolefins are chosen from polyethylene, polypropylene and polystyrene.
Le procédé selon l’invention peut être appliqué aux polymères purs et aux mélanges de polymères. Un cas particulièrement avantageux est le traitement par le procédé selon l’invention de déchets polymériques.The process according to the invention can be applied to pure polymers and to polymer blends. A particularly advantageous case is the treatment by the method according to the invention of polymeric waste.
L’étape de dépolymérisation peut par exemple comprendre
(i) une étape de craquage thermique des matériaux polymériques, réalisée de préférence à une température de 350°C à 600°C et on soutire au moins une fraction comprenant des hydrocarbures, de préférence à l’état gazeux;
(ii) on effectue éventuellement un hydrotraitement d’au moins une partie de la fraction polymérique issue de l’étape (i);
(iii) on traite au moins une partie de la fraction polymérique issue de l’étape (i) ou (ii) avec de l’hydrogène en présence d’un catalyseur, de préférence à une température de 270°C à 400°C, et on récupère au moins une fraction comprenant des alcanes liquides et/ou solidesThe depolymerization step can for example comprise
(i) a stage of thermal cracking of the polymeric materials, preferably carried out at a temperature of 350° C. to 600° C. and at least one fraction comprising hydrocarbons, preferably in the gaseous state, is withdrawn;
(ii) optionally carrying out a hydrotreatment of at least part of the polymeric fraction resulting from step (i);
(iii) at least part of the polymeric fraction resulting from step (i) or (ii) is treated with hydrogen in the presence of a catalyst, preferably at a temperature of 270° C. to 400° C. , and at least one fraction comprising liquid and/or solid alkanes is recovered
Des illustrations du principe de cette étape peuvent être trouvées par exemple dans les références EP-A-620264 et WO-A-2010/136850.Illustrations of the principle of this step can be found for example in the references EP-A-620264 and WO-A-2010/136850.
Il a maintenant été trouvé que la dépolymérisation peut être effectuée en combinaison synergique avec un décomposition catalytique des hydrocarbures en hydrogène et carbone, dès lors qu’on la conduit de façon à produire une fraction d’hydrocarbure gazeux pouvant servir d’alimentation de la décomposition catalytique, en quantité considérable, notamment suffisante voire supérieure à ce qui est nécessaire pour assurer ses propres besoins en hydrogène. Contrairement à l’état de la technique qui considère les fractions d’hydrocarbure gazeux comme problématiques, la présente invention cherche à les maximiser par rapport à un optimum de production d’alcanes liquides et/ou solides.It has now been found that depolymerization can be effected in synergistic combination with catalytic decomposition of hydrocarbons to hydrogen and carbon, provided it is conducted to produce a gaseous hydrocarbon fraction which can serve as the decomposition feed. catalyst, in considerable quantities, in particular sufficient or even greater than what is necessary to meet its own hydrogen needs. Contrary to the state of the art which considers the gaseous hydrocarbon fractions as problematic, the present invention seeks to maximize them with respect to an optimum production of liquid and/or solid alkanes.
Dans le procédé selon l’invention, on forme au moins une première fraction comprenant des alcanes liquides et/ou solidesIn the process according to the invention, at least a first fraction is formed comprising liquid and/or solid alkanes
Dans le procédé selon l’invention, le traitement de dépolymérisation a généralement une sélectivité en alcanes dont le nombre d’atomes de carbone est supérieur à 6 au moins égale à 90% en poids, de préférence au moins égale à 95% en poids par rapport au poids des matériaux polymériques traités.In the process according to the invention, the depolymerization treatment generally has a selectivity for alkanes whose number of carbon atoms is greater than 6 at least equal to 90% by weight, preferably at least equal to 95% by weight per relative to the weight of the polymeric materials treated.
Dans ce cas, la masse molaire des produits issus de la réaction peut être comprise entre 16 g/mol et 478 g/mol.In this case, the molar mass of the products resulting from the reaction can be between 16 g/mol and 478 g/mol.
Dans le procédé selon l’invention, on forme au moins une deuxième fraction comprenant des hydrocarbures gazeux. Ces hydrocarbures gazeux sont choisis, par exemple, parmi les alcanes et les oléfines. Des exemples particuliers sont choisis parmi les alcanes ayant de 1 à 5 atomes de carbone et les oléfines ayant de 2 à 5 atomes de carbone. De préférence la deuxième fraction comprend des alcanes ayant 1, 2, 3 ou 4 atomes de carbone, plus particulièrement le méthane.In the process according to the invention, at least one second fraction comprising gaseous hydrocarbons is formed. These gaseous hydrocarbons are chosen, for example, from alkanes and olefins. Specific examples are chosen from alkanes having 1 to 5 carbon atoms and olefins having 2 to 5 carbon atoms. Preferably the second fraction comprises alkanes having 1, 2, 3 or 4 carbon atoms, more particularly methane.
Dans le procédé selon l’invention, le traitement de dépolymérisation a généralement une sélectivité d’au moins 0.05 mol méthane par mole de carbone contenu dans les déchets polymériques.In the process according to the invention, the depolymerization treatment generally has a selectivity of at least 0.05 mol methane per mole of carbon contained in the polymer waste.
La deuxième fraction peut éventuellement être soumise à un ou plusieurs traitements de séparation. Par exemple, on peut séparer une fraction enrichie en méthane d’autres composantes de la deuxième fraction, par exemple par une opération de séparation par membranes. Dans ce cas, la teneur en méthane dans la fraction enrichie en méthane est généralement d’au moins 50 % molaires, de préférence elle est d’au moins 95% molaires. La fraction enrichie en méthane est préférée pour alimenter l’étape (b) du procédé selon l’invention.The second fraction can optionally be subjected to one or more separation treatments. For example, a fraction enriched in methane can be separated from other components of the second fraction, for example by a membrane separation operation. In this case, the methane content in the fraction enriched in methane is generally at least 50% molar, preferably it is at least 95% molar. The methane-enriched fraction is preferred for feeding step (b) of the process according to the invention.
La deuxième fraction peut également être introduite dans l 'étape (b) du procédé selon l’invention sans traitement de séparation..The second fraction can also be introduced into step (b) of the process according to the invention without separation treatment.
Dans l’étape (b) du procédé selon l’invention, on introduit des hydrocarbures contenus dans la deuxième fraction telle que décrite plus haut, dans une étape de décomposition catalytique des hydrocarbures en hydrogène et carbone. Plus spécifiquement, on peut introduire des hydrocarbures, de préférence comprenant du méthane, dans une étape de décomposition en présence d’un catalyseur, de préférence à base de fer, à une température de 400°C à 1000°C et on récupère de l’hydrogène et du carbone. Une illustration de la décomposition d’hydrocarbures en carbone et hydrogène peut être trouvée par exemple dans la référence US-B-10179326.In step (b) of the process according to the invention, the hydrocarbons contained in the second fraction as described above are introduced into a step of catalytic decomposition of the hydrocarbons into hydrogen and carbon. More specifically, hydrocarbons, preferably comprising methane, can be introduced into a decomposition stage in the presence of a catalyst, preferably iron-based, at a temperature of 400° C. to 1000° C. and hydrogen and carbon. An illustration of the decomposition of hydrocarbons into carbon and hydrogen can be found for example in the reference US-B-10179326.
Dans un aspect préféré du procédé selon l’invention, on alimente le traitement de dépolymérisation en hydrogène provenant au moins partiellement de l’étape (b).In a preferred aspect of the process according to the invention, the depolymerization treatment is fed with hydrogen coming at least partially from step (b).
Dans un mode de réalisation préféré, l’étape (b) de décomposition d’hydrocarbures produit plus d’hydrogène que n’en consomme le traitement de dépolymérisation.In a preferred embodiment, the hydrocarbon decomposition step (b) produces more hydrogen than the depolymerization process consumes.
La
On effectue une alimentation (1) en déchets de polyoléfines de l’étape (2) de dépolymérisation comprenant au moins un traitement avec de l’hydrogène on soutire (3) la première fraction comprenant des alcanes liquides ou solides, on soutire (4) la deuxième fraction comprenant au moins des hydrocarbures gazeux, éventuellement, on sépare (5) une fraction enrichie en méthane d’autres composantes de la deuxième fraction et on soutire (6) une fraction enrichie en autres composantes, on introduit (7) du méthane contenu dans la deuxième fraction dans l’étape (9) de décomposition catalytique du méthane en hydrogène et carbone, éventuellement, on alimente (10) une étape (9) de décomposition catalytique du méthane en hydrogène et carbone en méthane ne provenant pas de l’étape (2) de dépolymérisation comprenant au moins un traitement avec de l’hydrogène, on récupère (11) du carbone, on soutire (12) une fraction gazeuse comprenant de l’hydrogène et éventuellement du méthane non réagi et on introduit ladite fraction, le cas échéant, dans une étape (13) de séparation d’hydrogène et de méthane de manière à former une fraction enrichie en méthane que l’on recycle (15) vers l’étape (9) de décomposition catalytique et une première fraction d’hydrogène qu’on introduit (16) dans l’étape (2) de dépolymérisation comprenant au moins un traitement avec de l’hydrogène et une on récupère (14) deuxième fraction d’hydrogène.A supply (1) of polyolefin waste from the depolymerization stage (2) comprising at least one treatment with hydrogen is carried out, the first fraction comprising liquid or solid alkanes is drawn off (3), the second fraction comprising at least gaseous hydrocarbons, optionally, a fraction enriched in methane is separated (5) from other components of the second fraction and a fraction enriched in other components is withdrawn (6), methane is introduced (7) contained in the second fraction in the step (9) of catalytic decomposition of methane into hydrogen and carbon, optionally, a step (9) of catalytic decomposition of methane into hydrogen and carbon into methane not originating from the depolymerization stage (2) comprising at least one treatment with hydrogen, carbon is recovered (11), a gaseous fraction comprising hydrogen and optionally unreacted methane is withdrawn (12) and said fraction is introduced , if necessary, in a step (13) for separating hydrogen and methane so as to form a fraction enriched in methane which is recycled (15) to step (9) of catalytic decomposition and a first fraction of hydrogen which is introduced (16) into step (2) of depolymerization comprising at least one treatment with hydrogen and a second fraction of hydrogen is recovered (14).
L’alimentation (10) en hydrocarbures gazeux, en particulier en méthane, ne provenant pas de l’étape (2) de dépolymérisation est particulièrement avantageuse pour démarrer le procédé selon l’invention.The supply (10) of gaseous hydrocarbons, in particular methane, not originating from step (2) of depolymerization is particularly advantageous for starting the process according to the invention.
L’invention concerne aussi un procédé de co-production d’hydrogène, de carbone et d’alcanes solides et/ou liquides comprenant le procédé de traitement tel que décrit dans la présente description.The invention also relates to a process for the co-production of hydrogen, carbon and solid and/or liquid alkanes comprising the treatment process as described in the present description.
L’exemple ci-après entend illustrer l’invention sans toutefois la limiter.The example below is intended to illustrate the invention without however limiting it.
ExempleExample
On alimente une étape de dépolymérisation par 100 000 tonnes par an de polyéthylène de degré de polymérisation 500 000 (flux 1 ). La sélectivité du procédé de dépolymérisation catalytique, est de 15% (nombre d’atomes de carbone transformés en méthane / nombre d’atomes de carbone initialement présents dans le polyéthylène alimenté). L’alimentation complémentaire en méthane (10) est désactivée. Le procédé de dépolymérisation (2) convertit le polyéthylène, par ajout d’hydrogène provenant de l’étape de cracking du méthane (9), en un mélange d’alcanes de formule brute moyenne C20H42, et de méthane.A depolymerization stage is fed with 100,000 tons per year of polyethylene with a degree of polymerization of 500,000 (flow 1). The selectivity of the catalytic depolymerization process is 15% (number of carbon atoms transformed into methane / number of carbon atoms initially present in the fed polyethylene). The additional methane supply (10) is deactivated. The depolymerization process (2) converts the polyethylene, by adding hydrogen from the methane cracking step (9), into a mixture of alkanes with the average molecular formula C20H42, and methane.
La production annuelle de l’ensemble du procédé se compose de :
85 607 t/an de mélange d’alcanes de formule brute moyenne C20H42
1 536 t/an de dihydrogène H2
12 857 t/an de carbone solideThe annual production of the entire process consists of:
85,607 t/year of mixture of alkanes with average molecular formula C20H42
1,536 t/year of dihydrogen H2
12,857 t/year of solid carbon
Claims (10)
(a) on soumet les matériaux polymériques à un traitement de dépolymérisation comprenant au moins un traitement avec de l’hydrogène, de manière à former au moins une première fraction comprenant des alcanes liquides ou solides et une deuxième fraction comprenant au moins des hydrocarbures, de préférence gazeux et;
(b) on introduit des hydrocarbures contenus dans la deuxième fraction dans une étape de décomposition catalytique des hydrocarbures en hydrogène et carbone.Process for the treatment of polymeric materials, preferably polyolefinic, in which
(a) the polymeric materials are subjected to a depolymerization treatment comprising at least one treatment with hydrogen, so as to form at least a first fraction comprising liquid or solid alkanes and a second fraction comprising at least hydrocarbons, preferably carbonated and;
(b) the hydrocarbons contained in the second fraction are introduced into a stage of catalytic decomposition of the hydrocarbons into hydrogen and carbon.
(i) une étape de craquage thermique des matériaux polymériques, réalisée de préférence à une température de 350°C à 600°C et on soutire au moins une fraction comprenant des hydrocarbures, de préférence à l’état gazeux;
(ii) on effectue éventuellement un hydrotraitement d’au moins une partie de la fraction polymérique issue de l’étape (i);
(iii) on traite au moins une partie de la fraction polymérique issue de l’étape (i) ou (ii) avec de l’hydrogène en présence d’un catalyseur, de préférence à une température de 270°C à 400°C, et on récupère au moins une fraction comprenant des alcanes liquides et/ou solidesA method according to any of claims 2 to 6, wherein the depolymerization step comprises
(i) a stage of thermal cracking of the polymeric materials, preferably carried out at a temperature of 350° C. to 600° C. and at least one fraction comprising hydrocarbons, preferably in the gaseous state, is withdrawn;
(ii) optionally carrying out a hydrotreatment of at least part of the polymeric fraction resulting from step (i);
(iii) at least part of the polymeric fraction resulting from step (i) or (ii) is treated with hydrogen in the presence of a catalyst, preferably at a temperature of 270° C. to 400° C. , and at least one fraction comprising liquid and/or solid alkanes is recovered
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