JP5175721B2 - 固体材料の有機分子の炭素鎖の切断方法及び関連装置 - Google Patents

Description

本発明は、非気体状材料の有機分子の炭素鎖の切断方法及び関連装置に関するものであり、そして特に、本発明は、有機分子鎖を切断することにより、プラスチック材料の合成廃物中に通常存在している脂肪族又は環状有機高分子を、好ましくは典型的には軽燃料の２０未満の炭素数をもつ分子に及び汚染元素を含む燃焼物ではない分子に転位させることができる方法に関する。

公知のように、有機分子の炭素・炭素結合の切断は、とりわけ、熱分解としても知られた分解処理、すなわち石油工業における分解処理によって行われている。分解処理反応により、原油中に存在している炭化水素の分子量を低減して比較的軽い製品を作るようにしている。

最近では、分解処理は、純粋に熱的（熱分解）、又は熱・触媒的（触媒分解）である方法によって殆ど実施されている。

熱分解法は、１０〜１００気圧の可変圧力及び４５０〜６００℃の温度で、液相及び気相の両方において実施される。炭素・炭素結合は、外部から熱を供給することにより破壊される。

触媒分解法は、石油工業において比較的広範囲に用いられており、約５００℃の僅かに低い温度及び雰囲気圧力で操作できる適当な触媒、例えばアゾジカルボンアミドを用いて行われる。

両場合に、動作温度は外部から必要な熱を加えることにより達成される。外部から熱を加えることはしばしば、反応器の交換表面における固体生成物（コークス）の堆積によって妨げられので、酸化分解処理が用いられ、必要な熱の一部は、空気又は酸素を供給して炭化水素を部分燃焼させることにより反応内部で発生される。

この後者の場合に、分解反応と同時に、重合及び縮合反応が生じて新たに炭素・炭素結合が形成される。コークスの形成も伴うこのような反応は望ましくなく、動作条件を適切に選択することで低減できるが、避けることはできない。

従って、低コストでしかも低エネルギー消費で、脂肪族すなわち環状有機高分子から出発して、気体及び液体成分の高い収量をもって、好ましくは２０未満の炭素原子数で脂肪族分子を生成できる非気体材料の有機分子鎖を切断する方法に対する大きな要求がある。

本発明の目的は、上記の要求を満足し、同時に先行技術に関して上記の欠点を避けるような特性をもつ方法を提供することにある。

本発明の別の目的は、特に本方法を実施するようにされ、同時に、単純であり、比較的容易に作ることができ、安全に使用でき、有効に作動し、相対的に安価である装置を提供することにある。

かかる目的は、それぞれ本発明の請求項１及び請求項５による方法及び装置により達成される。

従属請求項は本発明による方法及び装置の好ましい及び特に有利な実施形態の概要を記載している。

本発明の別の特徴及び利点は、添付図面を参照して、本発明を限定しない例として以下に記載した説明を読むことにより明らかとなる。

図面を参照すると、本発明による固体材料の有機分子鎖の切断装置は符号１で示されている。

装置１は、要するに、反応器１０を有し、この反応器１０は、後で詳しく記載する破片形状又は破砕形状の処理すべき有機材料の入口開口１１と、得られた生成物の出口開口１２とを備えている。

入口開口１１には供給システム２０が接続されている。例では（図３参照）、この供給システム２０は水平ウォームスクリュー２１を備え、水平ウォームスクリュー２１はギヤ付きモータ２５で作動され、水平ウォームスクリュー２１の一端には材料の上向きの径方向入口口部２２が設けられ、また他端には、接続フランジ２４を介して反応器の入口開口１１に横から連通した軸方向出口口部２３が設けられている。

入口口部２２には、四枚のブレード２６ａを備えた撹拌装置２６が設けられ、この撹拌装置２６はギヤ付きモータ２７によって作動され、そして円筒状容器２８の基部でその内部に位置決めされ、円筒状容器２８はレベル指示器２９及び検査ハッチ２１３を備え、底部は入口口部２２に連通し、頂部は装填ホッパー２１０に連通している。装填ホッパー２１０の頂部はアスピレーター２１１及び供給導管２１２と連通し、装填ホッパー２１０の底部は回転弁２１４と連通している。装填ホッパー２１０は必要ならばサイクロンセパレータを備える。ウォームスクリュー２１は材料を反応器１０へドーズし供給する機能を備えている。

反応器１０の出口開口１２には分離システム３０が接続されている。例では（図２の左側参照）、分離システム３０は垂直軸線をもつ二重ウォームスクリュー型抽出装置（３１）を備え、抽出装置（３１）は、フランジ３２を介して反応器１０の出口開口１２に横から接続され、頂部は密封して閉じられている。ウォームスクリュー型抽出装置３１は、互いに交差する一対の対向回転螺旋体すなわちスクリュー３３（図２には一方のみを見ることができる）を備え、これらのスクリュー３３は、下方向へ押し付けるようにギヤ付きモータ３４によって作動される。各スクリュー３３はピッチ及び厚さの異なる螺旋体を備えた二つの領域、すなわち螺旋体の厚さが薄く（山と山との間隔が狭く）しかもピッチの小さい頂部領域３５ａと、螺旋体の厚さが厚く（山と山との間隔が広く）しかもピッチの大きい底部領域３５ｂとを備えている。

気体すなわち蒸気相の生成物の出口導管３６は、抽出装置３１の頂部領域３５ａから横方向へのびている。これに対して、固相の生成物は、底部に設けた軸方向開口３７を介して取出される。

気体／蒸気の出口導管３６は、軽い成分の抽出を促進するように抽出装置３１をくぼみに配置するのに適した真空ポンプ（図示していない）に接続される。抽出装置３１から出てくる気体／蒸気の流れはその後冷却されて、液相となり気相から分離される。

フランジ３２を介しての抽出装置３１と反応器１０との接続は、螺旋体の厚さが厚くしかもピッチの大きい底部領域３５ｂにおいて二つのスクリュー３３に対して横から中央で行われる。フランジ３２は、仕切弁３９を備え、この仕切弁３９は、反応器１０から抽出装置３１への生成物の通路を調節するように流体力ピストン４０によって作動される。

熱の分散を避けるために、通常鋼から成るウォームスクリュー型抽出装置３１は、例えばセラミックウールから成る包囲ジャケット３８で絶縁される。

本発明によれば、反応器１０は、内側にほぼ水平な軸線をもつロータ１５を備えたジャケット１４を有する組立体１３の形態である。入口開口１１はジャケット１４の一端に径方向に配列され、出口開口１２は、弁３９で遮断された反対端に軸方向に配列されている。特に、ロータ１５はシャフト１６によって形成され、多数の押し潰し要素（１５ａ〜１５ｈ）を備えておりこれらの要素については後で詳しく説明するが、シャフト１６に固定されてこのシャフト１６と共に回転するようにしている。

シャフト１６はギヤ付きモータ１７に接続されている。供給システム２０を介して送られてくる有機材料の炭素鎖を切断するために、ロータ１５はペースト状のコンシステンシーをもつすなわち触れると柔らくしかも曲がる混合物を得るように材料に機械的作用を施すように管理できる形態である。

このような機械的作用により、反応器１０において材料を延伸、押し潰してペースト状コンシステンシーにさせる。

特に、この機械的作用により、有機材料の内部に大きな摩擦が生じ、温度および圧力を高めさせて、短い鎖をもつ生成物すなわち好ましくは２０未満の炭素原子数をもつ生成物が得られるまで、長い分子鎖を切断する反応が行われるようにしている。

分子鎖の切断は、発熱反応で生じ得、これらの発熱反応はそれ自体、材料中に起りしかも処理材料の種類に依存する内部及び外部摩擦により、３５０℃以上の値に到達するまで、反応器１０内の温度上昇に寄与する。

反応器１０内で材料が受ける圧力は、ロータ１５とジャケット１４との間に流れを生じさせ、これにより押し潰し及び延伸作用が生じる。

ウォームスクリューの周速度は、材料の粘性に応じて１００〜４００ｍ／分である。

酸化生成物の形成を避けるために、反応器１０内の反応は全体として空気なしで生じるようにされる。これによりまた、低分子量すなわち好ましくは２０未満の炭素原子の液体及び気体炭化水素高い収量で得ることができる。例示した実施形態では、良好な耐摩耗性のために、ロータ１５の周囲部品を形成し、材料と直接接触する要素は、炭化水素を基材とした焼結鋼で構成される。

例では（図４参照）、単一ロータ１５を形成するように互いに隣接した要素は八個である。材料の入口開口１１（図面の右側）から始まって、下記の構成が特定され得る。
−内径Ｄに等しいジャケット１４；
−一定のピッチ、Ｄ未満の直径及び少なくとも０．５Ｄに等しいコアをもつ四スクリュー付きスクリューを備え、出口に向って材料を押し付けるのに適し、最小可能な温度上昇で材料を前進させるように機械的作用をもたらす第１要素１５ａ；
−要素１５ａによって前方へ押される材料をジャケット１４との間の隙間内へ流れさせ、同時に実際に温度上昇なしに前方へ動く材料自体で形成したプラグ（栓）により入口１１から入ってくる空気の通過を止めるのに十分である、要素１５ａのコアの直径より大きくない直径をもち、直径Ｄの少なくとも半分に等しい長さをもつ第２円筒状要素１５ｂ；
−少なくとも２Ｄに等しいピッチＰ、０．８５Ｄ未満でないコアの直径、及び０．７５〜１．０Ｐの長さをもつ単一スクリュー付きスクリューを備え、出口１２に向って材料を押し付けるのに適した第３要素１５ｃ；
−第３要素１５ｃと同一であるが螺旋体が逆むきであるスクリューを備え、長い鎖を切断するための反応をトリガーするのに必要な温度、できれば一様な発熱に達するために材料の受ける応力さらに増大させるように材料を押し戻す第４要素１５ｄ、基本的には、材料は第３要素１５ｃ及び第４要素１５ｄの領域で“再混合され”、問題の部分では材料の粘性は強烈に低下するので、第３要素１５ｃによって働く出口１２に向う押し付け作用は第４要素１５ｄによって働く逆方向の押し付け作用を圧倒する；
−好ましくは１．５巻回より長くなく、第４要素１５ｄに従って巻かれるが、ピッチが短く、例では０．５Ｄに等しいスクリューを備えた第５要素１５ｅ；
−第５要素と同じピッチをもち、螺旋対の向きが逆であり、すなわち出口１２に向って押し付け、長さが僅かに長く、例えば２巻回に等しいスクリューを備えた第６要素１５ｆ、第５及び第６要素の長さは約０．８５Ｄであり、また第５要素１５ｅ及び第６要素１５ｆは、出口１２に向って全体として前進する材料内に大きな摩擦を生じさせるのに寄与する；
−第２要素１５ｂより大きな直径をもち、その後の冷却で固体残留物を備えた液体及び気体コンシステンシーに達する材料の高摩擦により延伸作用を得るように、ジャケット１４から２〜４ｍｍの距離に配列されるようにした第７円筒形又は円錐台形要素１５ｇ、この領域では、炭素鎖の切断は低分子量成分を高収量でえるように達成され、この例では第７要素１５ｇはＤの３〜４倍の長さである；
−第１要素１５ａと同じ形式のスクリューを備え、全体的に処理され、出口開口１２に向って最終製品の形態で材料を押し付ける第８要素１５ｈ。

基本的には、第３要素１５ｃから第７要素１５ｇまでの占める領域（図５）は、分子鎖の熱・機械的作用による化学的切断作用が行われる領域である。

例では、ロータ１５の全長はＤの１５〜２０倍に等しく、ロータ１５を作動するギヤ付きモータは処理材料のＫｇ当たり０．２〜０．６ｋＷｈを吸収する。さらに、ジャケット１４は多くの部片、例では三つの部片に構成される。特に、化学的反応の行われる領域では、反応器１０の内部に向って対向したジャケットの部分は、機械的、熱的及び化学的耐性の高いセラミック円筒体１４で構成される。

熱の分散を避けるために、反応器１０は、例えばセラミックウールから成る包囲ジャケット１１０によって絶縁される。

作動的には、一般的には２０以上の炭素原子の長い鎖による化学結合をもつ固体有機物質を含む処理すべき有機材料は適当な移送装置、例えば流体力又はウォームスクリューを用いて、供給導管２１を介して破砕した固体形態又はペースト形態で供給される。破砕した固体形態の場合には、装填ホッパー２１０にサイクロンセパレータが設けられる。

材料は、重力により、回転弁２１４を通って容器２８内へ落下し、容器２８において材料は撹拌装置２６によって混合され、ウォームスクリュー２１の入口口部２２に向って材料を搬送する。ウォームスクリュー２１は、入口開口１１を通って反応器１０へ材料をドーズし送りこむ。ロータ１５は材料を出口開口１２に向って押し付け、材料は移送中に化学転位を受ける。そこから反応性生物は弁３９を開放することにより、分離システム３０のウォームスクリュー抽出装置３１へ送られ、ウォームスクリュー抽出装置３１において、二重スクリュー３３は気相と固相とを分離する。気体及び蒸気相の生成物は導管３６を通って送出され、一方、固相の生成物は底部開口３７から送出される。

ロータ１５によって材料に施される機械的作用によって、摩擦が発生し、この摩擦により材料自体の温度を少なくとも２５０℃まで上昇させる。これにより、有機成分の長い鎖を切断するのに必要な化学反応が始まる（第３要素１５ｃの領域において）。反応は第３要素１５ｃの機械的作用によって開始される。さらに、第２要素１５ｂの領域に形成される材料のプラグによって全体として空気が存在しないことにより、望ましくない酸化生成物（アルデヒドのような）の形成が防止され、比較的短い鎖の成分の収量が改善される。

基本的には、外部から熱が供給されないだけでなく、少なくとも鎖切断反応の生じる部分において反応器１０内へ空気が入るのを阻止される。

しかし、最後の部分において、既に実質的に反応が起きていることにより、電気抵抗又は等価の手段によって加熱するのがしばしば望ましい。

従って、分子結合の切断は、１００ｍ／分意所の周速度で回転するようにされるロータ１５によってもっぱら働く機械的作用に続いて反応器内に生じる熱によって開始され、促進される。

装置を容易に管理できるようにするために、適当にプログラムすることで、全ての動作を自動的に実行できる制御及び管理システムを設けることができる。

初期固体有機材料は、任意の原料、例えばプラスチック材料（従来の方法ではリサイクルできない不均質なものでも）、産業廃棄物や車両のタイヤからの加硫又は熱可塑性ゴム、野菜屑、ペースト状又は半液体製品などであることができる。

タイヤ及び野菜に基く屑の回収による材料の処理においては、他の材料の場合より固体炭素残留物が多いことが認められてきた。

このような残留物を低減させるために、反応の行われる部分（第４要素１５ｄと第６要素１５ｆとの間）において、反応器１０内に水素を添加するのが好ましい。代わりに、比較的安価なメタンを用いることもできる。

タイヤの処理に適用した上記の方法により、新しい生の材料と混合して再利用できる脱硫ゴム、液体ガス型の燃料（ＬＰＧ）のような炭化水素、石油やディーゼル油、重油のような炭化水素、ビチューメンに対する添加物としても用いることのできる或いはまたできれば過熱蒸気を加えることにより燃料として用いることができる炭素残留物のような非常に広大な範囲の生成物（製品）をえることができる。

上記の方法で不均質なプラスチック材料を処理することで、気体炭化水素、液体炭化水素、及び少量の固体炭素残留物を得ることができる。

上記から認められえるように、本発明による方法及び装置によって、要求を満たすことができ、先行技術に関して本明細書の最初に記載した欠点を解消できる。

実際、本方法により、炭素結合を切断でき、また外部から熱を加える必要なしに低炭素原子数の生成物を高収量で得ることができ、その結果、エネルギーの節約となり、反応器内部への空気の入り込みを防ぎ、触媒のなしで、気体及び液体燃料を得ることができる。

さらに、本方法は、例えばウォームスクリュー型反応器のようなメンテナンスを殆ど必要としない単純な装置で実施することができる。

加えて、本方法では大気中へのいかなる形式の放出もない。

従って、空気なしで、処理すべき材料に機械的作用を用いて、内部及び外部摩擦による分解温度まで温度を上昇させる熱力学的分解方法が得られる。

明らかに、当業者には、偶発的及び特殊な要求を満足させるために、上記の方法及び装置に対して種々の変更及び変形を行うことができ、これらの変更及び変形は全て特許請求の範囲に記載した本発明の保護の範囲に含まれる。

固体材料の有機分子鎖の切断装置を示す部分断面平面図。 図１の線ＩＩ−ＩＩに沿った断面図。 図１の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図。 図１の装置のウォームスクリュー型反応器の細部の断面図。 図４の拡大詳細図。

Claims (23)

1. 有機分子を含む破砕した又はペースト状の固体材料が機械的延伸、押し潰し、圧伸作用を受け、内部及び外部摩擦によって、空気のない状態で温度上昇を受け、その結果上記有機分子の長い分子結合が破壊されて短い分子鎖から成る生成物が得られ、及び気体部分と液体部分と小さな固体部分とに分離される炭素原子２０個以上を含む有機分子鎖の切断方法であって、
   上記材料が、円筒状ジャケット（１４）内部を入口開口（１１）から出口開口（１２）へと流れる該ジャケット中に設けられる単一ウォームスクリュー（１３）を備えたロータ（１５）介して機械的作用が加えられ、
   上記機械的作用は、逆方向に巻かれた螺旋体をもつ上記ウォームスクリュー（１３）の少なくとも二つの連続した部分（１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆ）の作用を材料が受けかつ出口開口（１２）に向かう押し付け作用がその部分において材料の粘性が強烈に低下するため逆方向の押し付け作用を圧倒する状態から成ることを特徴とする方法。
2. 上記材料が少なくとも２５０℃の温度に達することを特徴とする請求項１記載の有機分子鎖の切断方法。
3. 液相及び気相の成分が２０未満の炭素原子の分子量をもつことを特徴とする請求項１に記載の有機分子鎖の切断方法。
4. 上記材料が、上記ウォームスクリュー（１３）の少なくとも一つの円筒形部分（１５ｂ）とジャケット（１４）との間に隙間を作るのに適した円筒形状をもつ該少なくとも一つの円筒形部分（１５ｂ）の作用を受けて、上記入口開口（１１）から入ってくる空気の通路を塞ぐ上記材料の可動性プラグが形成されることを含む請求項１に記載の方法。
5. 上記円筒形部分（１５ｂ）が、反対方向に巻き付けられた螺旋体を有する上記少なくとも二つの連続した部分（１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆ）の上流に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前進する材料の高い摩擦力により延伸が為されるように、材料に対して、ジャケット（１４）との間に２〜４ｍｍの隙間が形成されるような直径とされた円筒形状をもつ上記ウォームスクリュー（１３）の少なくとも一つの円筒形部分（１５g）の作用が加えられることを含む請求項１に記載の方法。
7. 上記円筒形部分（１５g）が、反対方向に巻き付けられた螺旋体を有する上記少なくとも二つの連続した部分（１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆ）の下流に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 上記出口開口（１２）の近くのジャケット（１４）の最終部分に水素又はメタンを加えて固相中における炭素の堆積を制限することが含まれることを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 上記材料が、プラスチック材料、加硫ゴムあるいは熱可塑性ゴム、ベジタブルミールの中から選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 気密容器（1４）を備えた反応器（１０）を有し、反応器（１０）内には、内部及び外部摩擦により、有機成分の長い分子結合を破壊ししかも固相残留物で液相及び気相の分離を得るのに十分な温度上昇を生じさせるように機械的延伸及び押し潰し作用を、上記有機成分が２０未満の炭素原子の分子量よりなる材料に施すのに適した機械的手段（１３）が収容されている請求項１に記載の有機分子鎖の切断方法を実施する装置（１）において、
    上記機械的手段（１３）が円筒状ジャケット（1４）内に収容された単一ウォームスクリュー（１３）を備え、上記単一ウォームスクリュー（１３）が逆方向に巻かれた螺旋体をもつ少なくとも二つの連続した部分（１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆ）を備えていることを特徴とする装置。
11. 上記円筒状ジャケット（1４）が、入口開口（１１）及び出口開口（１２）を備え、円筒状ジャケット（1４）内にはロータ（１５）が適当な手段によって回転できるように収容されていることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 上記ロータ（１５）が、回転軸（１６）に取り付けられた多数の要素（１５ａ-１５ｈ）を備えていることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. 上記ロータ（１５）が、材料を前進させるウォームスクリュー（１５ａ、１５ｈ）のように形成された少なくとも一つの部分を備えていることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
14. 上記ロータ（１５）が、反対方向に巻いたウォームスクリューの二つの部分から成る少なくとも二つの連続した部分（１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆ）を備えていることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
15. 上記多数の要素（１５ａ-１５ｈ）の少なくとも一つの要素（１５ｂ）が、上記少なくとも一つの要素（１５ｂ）とジャケット（1４）との間に隙間を形成するのに適した円筒状形態をもち、材料が流れて、入口開口（１１）から入ってくる空気の通路を塞ぐ移動プラグを形成していることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
16. 反対方向に巻いた螺旋体をもつ上記ロータの少なくとも二つの連続した部分（１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆ）が、上記円筒状の要素（１５ｂ）の下流に位置し、そして材料自体の受ける内部摩擦を更に高めるように中心に向かって材料を押し付けることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
17. 上記多数の要素（１５ａ-１５ｈ）の少なくとも一つの要素（１５ｇ）が、上記ジャケット（1４）と２〜４ｍｍの隙間を形成するような直径の円筒状形態をもち、前進していく材料を高摩擦で延伸させるようにしたことを特徴とする請求項１２に記載の装置。
18. さらに、上記入口開口（１１）と組合さった供給システム（２０）及び上記出口開口（１２）と組合さった分離システム（３０）を有することを特徴とする請求項１０に記載の装置。
19. 上記供給システム（２０）が、ホッパー（２１０）から反応器（１０）へ到達する材料をドーズし送り込むのに適したウォームスクリューフィーダー（２１）を備えていることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
20. 上記分離システム（３０）が、ロータ（１５）の軸線に対して傾斜した軸線をもち、フランジ（３２）を介して反応器（１０）の出口開口（１２）に横から接続されたウォームスクリュー抽出装置（３１）を備え、上記ウォームスクリュー抽出装置（３１）が気体及び蒸気成分の出口導管（３６）及び固相の成分用の開口を備え、くぼみに配置されていることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
21. 上記ウォームスクリュー抽出装置（３１）が、互いに交差する一対の対向回転スクリュー（３３）を備えていることを特徴とする請求項２０に記載の装置。
22. 上記フランジ（３２）には仕切弁（３９）が設けられ、上記仕切弁（３９）が、反応器（１０）から抽出装置（３１）への製品の通路を調整するように流体力ピストン（４０）によって作動されることを特徴とする請求項２０に記載の装置。
23. 固相における炭素の堆積を制限するため、出口開口（１２）の近くの最終部分に水素又はメタン源が接続されることを特徴とする請求項１１に記載の装置。

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