JP2022502547A - 化学反応炉アセンブリ - Google Patents

Abstract

化学反応炉アセンブリ（２００）は、プラスチック材料を加熱するために提供される。化学反応炉アセンブリ２００は、中心軸（Ｘ）を有する化学反応炉容器（１）と、化学反応炉容器（１）に搭載された撹拌機（３）とを備える。撹拌機（３）は、中心軸（Ｘ）から遠位にあり、使用中に化学反応炉容器（１）の内容物を混合するための１つ以上のブレード（３４）と、ブレードから延びるようにブレードに搭載された１つ以上の摩耗部品（３６）とを含む。

Description

本発明は、プラスチック材料を加熱するための化学反応炉アセンブリに関する。

使用済みプラスチックの化学リサイクル技術は、一般に、混合廃プラスチックをさまざまな液体炭化水素製品にリサイクルするように設計されている。そのようなプロセスで使用するための廃プラスチックは、たとえば、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、および／またはポリプロピレン（ＰＰ）を含んでいてもよい。これらの廃プラスチックは、溶融形態のプラスチック原料を化学反応炉容器に押し出してポンプで送ることによって、液体炭化水素生成物に変換される。化学反応炉容器は、炉システムによって３５０℃を超える温度に外部から加熱される。これにより、溶融プラスチックから豊富な飽和炭化水素蒸気が生成される。当該飽和炭化水素蒸気は、接触器容器を通って化学反応炉容器から流出し、より重い蒸気画分を凝縮して、最終製品の仕様によって決定される目標出口温度設定点を維持する。次に、飽和炭化水素蒸気は、下流の大気圧蒸留塔で大気圧に近い圧力で蒸留される。

各化学反応炉には、内部回転撹拌機アセンブリが取り付けられている。この撹拌機アセンブリは、化学反応炉の内容物を混合することを補助する。そのような例示的なアセンブリは、図１に関連してより詳細に説明される。

これらの撹拌機は、システムの多くの機能を改善するために化学反応炉容器内に設置されている。特に、撹拌機は、溶融プラスチック混合物の熱均質化を増加させることができる。これにより、化学反応炉容器の表皮から熱伝達を最大化してコールドスポットが形成されることを防止することにより、反応時間を短縮することができる。この熱均質化は、より揮発性の高い炭化水素鎖のプラスチック塊内で蒸気泡が形成されることをさらに防止することができる。これにより、その後の圧力および／または温度の急上昇のリスクを軽減することができる。撹拌機は、化学反応炉容器の壁部の内表面にコーキングを形成する原因となる問題のある副生成物（チャーとして知られる材料）を除去することができる。過剰に蓄積したチャーは、外部炉から溶融プラスチックへの熱伝導を阻害する可能性がある。撹拌機は、それを連続的に混合して、容器の表皮といった化学反応炉容器のより高温な部分にそれを接触させることにより、チャーを乾燥させることもできる。最後に、撹拌機は、化学反応炉容器からチャーを追い出すことにより、チャー副生成物の除去を改善することができる。

チャーは、本質的に研磨性のある微細な炭素ベースの粉末である。撹拌機等の化学反応炉容器内の作動部品は、常にこのチャーにさらされている。このチャーは、撹拌機の回転によって定義される外径と、化学反応炉容器の内径との間の間質空間に詰め込まれる可能性がある。時間の経過とともにチャーは、撹拌機によってそこに押し付けられるため、この空間内で圧縮される可能性がある。加えて、溶融プラスチックが容器の内表面上で比較的高い温度にさらされると、付着物が蓄積する可能性がある。これは、加熱性能、バッチ処理時間、システム効率、および寿命に悪影響を与える可能性がある、硬くて脆い、炭素ベースのコークス層の形成につながる可能性がある。

このため、反応プロセスに対するコークスの蓄積の影響を軽減することができる改善された撹拌機アセンブリの設計が必要である。

本発明によるプラスチック材料を加熱するための化学反応炉アセンブリは、請求項１に従って提供される。化学反応炉アセンブリは、中心軸を含む化学反応炉容器と、上記化学反応炉容器内に搭載された撹拌機と、を備え、上記撹拌機は、上記中心軸から遠位にあり、使用中に化学反応炉容器の内容物を混合するための１つ以上のブレードと、上記中心軸から上記ブレードよりもさらに径方向に延びるように上記ブレードに搭載された１つ以上の摩耗部品とを含む。

上記撹拌機は、上記化学反応炉容器内に搭載されているが、必ずしも全てが上記化学反応炉容器内である必要はない。上記撹拌機の一部は、上記化学反応容器の外側に延びていてもよい。

この化学反応炉アセンブリは、上記撹拌機自身、または上記化学反応炉容器に損傷を与えることなく、チャーの蓄積を除去することができる。その代わりに、上記摩耗部品が上記チャーに係合する。

遠位にある上記ブレードは、略螺旋状であってもよい。
螺旋状のブレードは、上記化学反応炉容器内で一貫した混合を確保するために特に効果的である。

上記摩耗部品は、上記ブレードに着脱可能に搭載されてもよい。
これにより、従来の撹拌ブレードの交換の代わりに、上記摩耗部品が摩耗した際に、当該摩耗部品を交換することができる。

上記摩耗部品は、上記中心軸から上記摩耗部品の径方向距離を調整するように調整可能である。

これにより、上記摩耗部品と上記化学反応炉容器の内壁との間の距離を調整することができ、この結果、当該部品と上記内壁との間の好ましい距離を維持するために摩耗部品が摩耗した際に、上記摩耗部品を再配置することができる。特に、この距離は、コークス層の最大許容厚さを規定できる。

上記摩耗部品または上記ブレードは、長尺スロットを含んでいてもよく、上記摩耗部品は、上記スロットを通過する１つ以上のボルトを介してアームに搭載されていてもよい。

これは、上記調整を行なうための簡易な方法である。
上記アセンブリは、さらに１つ以上のばね座金を備えていてもよく、１つ以上のボルトは、上記ばね座金を通って上記摩耗部品と係合してもよい。

これらばね座金は、使用中にボルト接続が緩んだ場合であっても、上記ブレードと上記摩耗部品との間の強固な取り付けを維持する。

上記撹拌機は、複数のブレード、好ましくは２つのブレードを備えていてもよい。
このことは、一貫した混合のために好ましい配置である。

各ブレードは、その長さに沿って分布する複数の摩耗部品を備えていてもよく、複数の摩耗部品は、上記ブレードの領域において上記中心軸に沿った任意の点で上記中心軸に直交する平面が概して、少なくとも１つの摩耗部品、好ましくは１つの摩耗部品のみを通過するように分布される。

これにより、上記内表面全体が、少なくとも１つの摩耗可能部品（ウェアラブル部品）に接触することを確保することができる。

上記摩耗部品は、鋼、好ましくは、オーステナイト系スレンレス鋼、さらに好ましくは、AISI 316, 316Ti, 310, 309, 321および／または302で形成することができる。

本発明による化学反応炉容器の内表面上のコークスの最大厚さを維持する方法は、請求項１０に従って提供される。上記方法は、中心軸回りに回転可能であり、上記化学反応炉容器の上記内表面から第１距離に位置し、径方向の最も外側にある１つ以上の摩耗可能部品を備えた撹拌機を、化学反応炉容器内に設ける工程と、回転する上記摩耗可能部品が上記化学反応炉容器の上記内表面からコークスを除去し、それによりコークスの上記最大厚さを維持するように、数サイクル、上記化学反応炉容器を操作する工程と、化学反応炉容器を停止する工程と、操作中に上記部品の摩耗に追従して、上記化学反応炉容器の上記内表面からの上記第１距離を維持するために、上記摩耗可能部品を調整する工程と、を備える。

コークスの厚さを設定水準未満に維持することにより、上記炉から上記溶融プラスチックへの熱伝達を増加させ、これにより、上記システムのサイクルタイムを最小限に抑える。

上記最大厚さは、１０ｍｍ以下、好ましくは８ｍｍ以下であってもよい。
この厚さは、大抵、上記システムが正常に動作するために十分な熱伝達を可能にする。

以下の図面を参照して本発明を説明する。

例示的な化学反応炉容器および撹拌機を示す図である。 例示的なシステムにおいてコークスの蓄積の代表的な図である。 例示的なシステムにおいてコークスの蓄積の代表的な図である。 本発明に係る化学反応炉容器および撹拌機を示す図である。 本発明に係る撹拌機を含む化学反応炉容器内におけるコークスの蓄積の代表を示す図である。

図１に示すように、例示的なシステム１００、すなわち化学反応炉アセンブリは、撹拌機３が回転可能に搭載された化学反応炉容器１を備える。撹拌機３は、化学反応炉容器１内において概ね長手方向に延びる中央シャフト３１を含む。撹拌機３は、軸Ｘ回りに回転可能となるように搭載されている。軸Ｘは、好ましくは、概ね、中央シャフト３１と、化学反応炉容器１の上部開口および下部開口の中心軸とに一致する。複数の水平支持棒３２は、撹拌機３の中央シャフト３１から延びていてもよい。複数の撹拌ブレード３４は、水平棒３２に取り付けられている。代替の実施形態においては、撹拌機３は、水平支持棒３２を含んでいなくてもよく、撹拌ブレード３４は、中央シャフト３１に直接取り付けられてもよいし、自由端で終端してもよい。

本実施形態は、複数の撹拌ブレード３４を含むが、撹拌機３は、任意の適切な方法で設計され得ることが予測されている。特に、代替の実施の形態においては、撹拌機３は、１つの撹拌ブレード３４を含んでいてもよいし、３つ以上の撹拌ブレード３４を含んでいてもよい。撹拌機３４は、略一定の距離で中央シャフト３１から遠位に離れるように略螺旋状である。そのため、撹拌ブレード３４の外縁は、化学反応炉容器１の内表面から概ね一定の距離離れている。撹拌ブレード３４は、下端に、（個別の部分として、または一体いずれかとして）撹拌ベース部３３を備えていてもよい。ベース部３３は、概ね、化学反応炉容器１の下部湾曲面に一致する。ベース部３３は、撹拌ブレード３４の主要部に取り付けられた別個の構成要素であってもよいし、それと一体に形成されていてもよい。

使用中において、プラスチックは、好適には、押し出された溶融プラスチックの形態で化学反応炉容器１に供給される。撹拌機３は、モータおよびギアボックスアセンブリによって駆動され、軸Ｘ周りに回転する。撹拌ブレード３４は、プラスチック内で回転し、化学反応炉容器１全体にわたって当該プラスチックを確実に混合する。

上述のように、システム１００が操作されると、コークス層が、化学反応炉容器１の内表面に形成され始める。このことは、化学反応炉容器１の壁部の断面の代表的な拡大図を描写した図２Ａおよび図２Ｂに示される。図２Ａは、攪拌機３のライフサイクルにおいて初期のシステム１００を示している。見てわかるように、撹拌ブレード３４は、化学反応炉容器１の内表面から第１距離離れた遠位に最も外側の点に延びる。攪拌機３がこの遠位に最も外側の点で回転する際に外径を規定するため、この距離は、コークス５の蓄積が、上記撹拌ブレード３４の最も外側の点と化学反応炉容器１の内表面との間に形成されることを許容する。このコークスの量は、新たな撹拌ブレード３４と化学反応炉容器１の内表面との間の距離に一致する厚さ５２を有する。好ましい実施形態においては、この初期の距離５２は、１０ｍｍ以下であってもよい。

システム１００が数サイクルにわたって操作されると、撹拌ブレード３４は、コークス５に絶え間なく接触することにより摩耗する。この結果、撹拌ブレード３４の最も外側の点は、初期に設置されたときと同じ距離、軸Ｘから径方向に延びることはなくなる。この結果、コークス厚さ５４の増加に対応して、コークス５Ａの追加の蓄積が形成され得る。このコークス厚さ５４の増加は、化学反応炉容器１の効率を低下させる可能性がある。特に、コークス５は、化学反応炉容器１内の溶融プラスチックへの熱伝達を低下させる可能性がある。

この減少した熱伝達を補償するために、化学反応炉容器１は、より高い炉温度にさらされる。これらの高い温度は、化学反応炉容器１の摩耗を増加させ、それにより、化学反応炉容器１の耐用年数を短くする可能性がある。特に、クリープ変形および合成応力速度は、より大きな熱の入力によって増加する可能性がある。より大きな熱の入力は、加速された金属のエージング、酸化／スケールの剥離、および／または格子粒子成長による脆化／硬化をもたらす可能性がある。この結果として、化学反応炉容器１は、そうでなければ必要となるよりもさらに定期的に交換する必要がある。この減少した熱伝達は、全体のプロセスを遅くするバッチ処理時間の延長を必要とする可能性がある。不十分な温度制御によるバッチ時間の変動は、下流側のプロセスにおける更なる困難、産出された製品の品質の変動につながる可能性がある。

本発明に係る改善されたシステム２００、すなわち化学反応炉アセンブリは、図３に示される。このシステム２００は、同様に、化学反応炉容器１、および当該化学反応炉容器１内に回転可能に搭載された攪拌機３を含む。攪拌機３は、例示的なシステム１００に対して開示されたものとほぼ同様である。しかしながら、追加の摩耗部品３６が、攪拌機３のブレード３４に搭載される。摩耗部品３６は、ブレード３４に搭載される。摩耗部品３６は、ブレード３４の最外縁に概ね一致するように搭載されてもよい。使用中にブレード３４が摩耗すると、摩耗部品３６は、ブレード３４の最外縁を超えて延びる。代替方法として、摩耗部品３６は、それらが撹拌ブレード３４の最も外側の点より中央シャフト３１からさらに遠位に延びるように搭載されてもよい。

結果として、撹拌機３の回転中に、摩耗部品３６は、化学反応炉容器１の内表面に形成されるコークス５に優先的に接触する。

単一の摩耗部品３６を各撹拌ブレード３４の長さに沿って設けることができるが、これは好ましくない。その代わりに、複数の摩耗部品３６を撹拌ブレード３４に沿って分布して設けることが好ましい。好ましくは、摩耗部品３６は、それらの間に隙間無く分布される。しかしながら、それらは、異なるブレード３４からの摩耗部品３６が、（たとえば、軸方向に）重なった状態で、各ブレード３４上で間隔をあけてもよく、この結果、摩耗部品３６は、撹拌ブレード３４に沿って分布し、軸Ｘに直交する平面（すなわち、図３においてページ内へと延びる平面）が、撹拌ブレード３４に対応する部分の軸Ｘに沿って定義され得る。その結果、上記平面は、この領域において軸に沿った任意の位置に対して、少なくとも１つの摩耗部品３６を通過する。好ましくは、上記平面は、任意の点で、１つの摩耗部品３６のみを通過する。関心領域の全体にわたって、摩耗部品３６の継続的な供給を確実にするために、摩耗部品３６間でのオーバーラップ量は、無視してもよい。

摩耗部品３６は、ブレード３４に着脱可能に固定してもよく、これにより、非破壊的な方法でブレード３４から取り外すことができる。すなわち、摩耗部品３６は、ブレード３４に損傷を与えることなくブレード３４から取り外すことができる。これにより、撹拌機３の残り部分よりも速い速度で摩耗する摩耗部品３６を、撹拌機３、あるいは、ブレード３４またはベース部３３といった元々設けられていた構成要素を全体的に交換することなく、新たな摩耗部品３６に交換することができる。これにより、撹拌機３の寿命を延ばすことができる。

加えて、大型の化学反応炉容器１を精度よく円筒形にすることは非常に困難である。たとえば、その直径は、その長さに沿って変化する可能性がある。摩耗部品３６は、容器１の特定の非円筒形に適合させるために、ブレード３４に搭載することができる。その結果、摩耗部品３６を備えた撹拌機３は、容器１の内表面により密接し、それにより、コークス層５の厚さを最小限に抑えることができる。

さらに、摩耗部品３６は、調整可能にブレード３４に取り付けることができる。特に、ブレード３４から摩耗部品３６の径方向の延長を調整することができる。これを達成するために、摩耗部品３６には、その中に形成された長尺スロット３７を設けてもよい。ナット−ボルト接続４は、当該スロット３７とブレード３４における対応する穴部を通る。これにより、摩耗部品３６は、スロット３７内でボルト４をスライドさせることにより、径方向にスライドさせることができる。ボルト４を締めて、摩耗部品３６を所定の位置に保持することができる。このことは、図４に示される。この結果、摩耗部品３６が摩耗してコークス５の厚さ５２が増加しようとした場合に、システム２００を停止し、摩耗部品３６を調整して初期のコークス厚さ５２を維持することができる。代替として、長尺スロット３７をブレード３４に形成し、摩耗部品３６に穴部を形成してもよい。この代替案は、同じ方法での操作を可能にする。

好ましい実施形態において、コークス厚さ５２は、１０ｍｍ未満に維持することができる。ばね座金４２は、ナット−ボルトアセンブリ４に設けることができる。ばね座金４２は、弾性位置エネルギーを蓄積し、それにより、摩耗部品３６をブレード３４にクランプするクランプ力を提供する。その結果、ボルトアセンブリ４が使用中に弛緩したとしても、摩耗部品３６は、ブレード３４に強固に保持される。加えて、摩耗部品３６は、ブレード３４にスポット溶接３８されてもよい。このことは、速く角速度および／または増加させた回転質量で動作するように設計された撹拌機３において、特に有用である。この配置はまた、高温の熱的循環サービスで使用されるように設計された撹拌機３を支援することができる。スポット溶接３８は、上述のように再調整または交換の際に、容易に除去することができる。

改善されたシステム２００の撹拌機３は、撹拌機３とそれに取り付けるための摩耗部品３６とを含む部品のキットとして提供することができる。代替として、摩耗部品３６は、別個に設けられてもよく、既存の撹拌機３に後付けすることができる。

摩耗部品３６は、任意の適切な材料で製造することができる。しかしながら、特定の実施形態においては、摩耗部品３６は、鋼で形成してもよい。この鋼は、好ましくは、オーステナイト系スレンレス鋼であってもよく、さらに好ましくは、AISI 316, 316Ti, 310, 309, 321および／または302で形成してもよい。これらの鋼は、高温強度、硬度、耐食性、および利用可能性の良好なバランスを備えることが示されている。このような鋼は、製造後の熱処理に対する要求もない。動作中に摩耗部品３６が化学反応炉容器１の内表面に接触するリスクがある場合には、化学反応炉容器１の壁部の追加の摩耗をもたらす可能性があるため、非常に高硬度の鋼を使用することを推奨できない。

改善されたシステム２００の撹拌機３は、さらに中央シャフトオーガ３５を備えていてもよい。これにより、撹拌機３を、逆モードでさらに操作することができる。逆モードでは、中央シャフトオーガ３５によって、化学反応炉容器１の排出ノズルを通ってチャーホッパー容器に向けて下向きの力が加えられる。これにより、チャーを化学反応炉容器１から排出することができる。

Claims (13)

1. プラスチック材料を加熱するための化学反応炉のアセンブリであって、
   中心軸を有する化学反応炉容器と、
   前記化学反応炉容器内に搭載された撹拌機と、を備え、
   前記撹拌機は、
   前記中心軸から遠位にあり、使用中に前記化学反応炉容器の内容物を混合するための１つ以上のブレードと、
   前記ブレードから延びるように前記ブレードに搭載された１つ以上の摩耗部品とを含む、アセンブリ。
2. 前記１つ以上のブレードの各々は、前記中心軸から遠位にある主要部と、前記主要部から前記中心軸に向けて延びる１つ以上のベース部と、を含み、
   前記１つ以上の摩耗部品は、前記ベース部よりもさらに軸方向に延びるように前記ベース部に搭載されている、請求項１に記載のアセンブリ。
3. 前記１つ以上の摩耗部品は、前記中心軸に対して前記ブレードから径方向に延びるように前記ブレードに搭載される、先行する請求項のいずれかに記載のアセンブリ。
4. 前記ブレードは、略螺旋状である、先行する請求項のいずれかに記載のアセンブリ。
5. 前記摩耗部品は、着脱可能に搭載される、先行する請求項のいずれかに記載のアセンブリ。
6. 前記摩耗部品の延びた部分は、前記ブレード上の前記摩耗部品の前記径方向の位置、および／または、前記ブレード上の前記摩耗部品の前記軸方向の位置を調整するように調整可能である、先行する請求項のいずれかに記載のアセンブリ。
7. （ａ）前記摩耗部品、または（ｂ）前記ブレードのうちの一方は、長尺スロットを有し、前記摩耗部品は、前記スロットを通過する１つ以上のボルトを介して前記ブレードに搭載される、請求項６に記載のアセンブリ。
8. １つ以上のばね座金をさらに備え、
   前記１つ以上のボルトは、前記ばね座金を通過して前記摩耗部品に係合する、請求項７に記載のアセンブリ。
9. 複数のブレード、好ましくは、２つのブレードを備えた、先行する請求項のいずれかに記載のアセンブリ。
10. 各ブレードは、その長さに沿って分布された複数の摩耗部品を含み、前記複数の摩耗部品は、前記アーム領域において前記中心軸に沿った任意の点で前記中心軸に直交する平面が概して、少なくとも１つの摩耗部品、好ましくは１つの摩耗部品のみを通過するように分布される、先行する請求項のいずれかに記載のアセンブリ。
11. 前記摩耗部品は、鋼、好ましくは、オーステナイト系スレンレス鋼、さらに好ましくは、AISI 316, 316Ti, 310, 309, 321および／または302で形成されている、先行する請求項のいずれかに記載のアセンブリ。
12. 化学反応炉容器の内表面上のコークスの最大厚さを維持する方法であって、
    中心軸回りに回転可能であり、前記化学反応炉容器の前記内表面から第１距離に位置し、径方向の最も外側にある１つ以上の摩耗可能部品を備えた撹拌機を、化学反応炉容器内に設ける工程と、
    回転する前記摩耗可能部品が前記化学反応炉容器の前記内表面からコークスを除去し、それによりコークスの前記最大厚さを維持するように、数サイクル、前記化学反応炉容器を操作する工程と、
    前記化学反応炉容器を停止する工程と、
    操作中に前記部品の摩耗に追従して、前記化学反応炉容器の前記内表面からの前記第１距離を維持するために、前記摩耗可能部品を調整する工程と、を備える方法。
13. 前記最大厚さは、１０ｍｍ以下、好ましくは８ｍｍ以下である、請求項１２に記載の方法。

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