KR102181260B1 - 석유 제품들을 생산하기 위한 프로세스, 장치, 제어기, 및 시스템 - Google Patents

석유 제품들을 생산하기 위한 프로세스, 장치, 제어기, 및 시스템 Download PDF

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메멧 에이 겐서
조셉 디 헨슬
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레스 폴리플로우 엘엘씨
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Abstract

석유 제품들을 생산하는 혼합된 플라스틱 공급원료의 열분해를 위한 프로세스 및 장치가 설명된다. 하나의 예에서, 석유 제품들을 생산하기 위한 프로세스는 혼합된 폴리머 재료들의 공급원료를 반응기 장치로 장전하는 것을 포함한다. 무산소성 동작에서 반응기 장치를 통해 공급원료를 전진시키면서, 열 에너지가 공급원료에 적용된다. 석유 가스 제품을 생산하기 위하여 반응기 용기 내에서의 온도 경도를 제어함으로써, 반응기 장치로의 에너지 입력이 제어된다. 프로세스는 반응기 용기 내부에서 공급원료의 고체 탄화수소질 부분을 용융물 유체들로 변환하고 반응기 용기를 나가는 가스성 석유 제품들을 생산하도록 제어되는, 크랙킹 및 재조합 반응들을 포함하는 인 시츄 화학적 반응들을 수반한다. 열분해 프로세스로부터의 분리된 고체 잔류물은 또한, 반응 용기로부터 제거된다.

Description

석유 제품들을 생산하기 위한 프로세스, 장치, 제어기, 및 시스템
관련 출원들에 대한 교차 참조
이 출원은 2017 년 3 월 29 일자로 출원된, "Process, Apparatus, Controller and System for Producing Petroleum Products (석유 제품들을 생산하기 위한 프로세스, 장치, 제어기, 및 시스템)" 라는 명칭의 미국 유틸리티 출원 제 15/473,569 호, 및 2016 년 3 월 30 일자로 출원된, "Pyrolysis Process, Apparatus, and System for Producing Petroleum Product (석유 제품을 생산하기 위한 열분해 프로세스, 장치, 및 시스템)" 라는 명칭의 미국 가출원 제 62/315,639 호의 이익을 주장하고, 그 전체 내용은 본원에 참조로 편입된다.
기술 분야
본 발명은 일반적으로, 폴리머 (polymer) 들을 함유하는 공급원료 (feedstock) 으로부터 석유 제품 (petroleum product) 들을 생산하기 위한 프로세스, 장치, 및 시스템, 그리고 프로세스를 수행하기 위한 장치 및 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 석유 제품들을 생산하는 프로세스를 관리하기 위한 제어기에 관한 것이다.
석유 산업에서는, 상업적으로 실행가능한 액체 제품들이 다양한 원 재료 (raw material) 들로부터 생산된다. 이 재료들은 시장 가격 및 품질 요건들을 충족시키기 위하여 효율적으로 그리고 일관된 품질로 변환되어야 한다. 플라스틱 폐기물 (plastic waste) 은 전통적으로, 폴리머 타입들을 경제적으로 분류하고 재료를 대체가능한 액체 제품들로 일관되게 변환할 시의 어려움으로 인해, 매립지 (landfill) 에서 폐기되었거나 발열량 (heat value) 에 대하여 소각되었다. 양자의 매립지 및 소각은 환경적 단점들과, 이 에너지 풍부한 공급원료에 대한 낮은 가치 및/또는 높은 비용의 해결책들을 제기한다.
열분해 프로세스 (pyrolysis process) 는 플라스틱 폐기물 스트림들을, 석유 제품들 및 석유화학적 제품들로의 추가의 프로세싱을 위하여 그 후에 액체들로 응축될 수 있는 가스들로 효율적으로 변환함에 있어서의 가능성을 보여준 열적 분해 프로세스 (thermal decomposition process) 의 예이다. 열분해 기술들은 일부 레벨의 정렬이 공급원료의 준비 시에 수행될 것을 그 후에 요구하는 폐기물 스트림에서의 플라스틱들의 전체 범위를 변환할 수 없었고, 이에 따라, 경제적 실행가능성을 감소시켰다. 게다가, 플라스틱 폐기물 스트림에서의 변화들로 인해, 많은 열분해 기술들은 요구된 산업 사양들을 일관되게 충족시킬 수 있는 석유 제품들로 업그레이딩될 수 있는 일관된 최종 제품을 생산할 수 없었다. 이러한 사양외 (out of spec) 제품들은 큰 양들의 에너지를 소비하는 추가의 프로세싱을 요구하고, 이에 따라, 경제적 실행가능성을 추가로 감소시킨다.
석유 제품들을 생성하기 위하여 현재 이용가능한 몇몇 방법들이 있지만, 에너지 소비, 제품 수율, 및 생산된 제품들의 품질의 측면에서 이러한 방법들에 대한 결점들이 있다.
본 발명의 하나의 양태에서, 석유 제품들을 생산하기 위한 프로세스는 혼합된 폴리머 재료들을 포함하는 공급원료를 반응기 장치의 반응기 용기로 장전 (charge) 하는 단계; 무산소성 동작 (anaerobic operation) 에서 반응기 장치를 통해 공급원료를 전진시키면서 열을 반응기 용기에 적용하는 단계; 응축가능한 석유 가스 제품을 생산하기 위하여, 반응기 용기로의 에너지 입력을 제어하고 반응기 용기 내에서의 온도 경도 (temperature gradient) 를 제어하는 단계를 포함한다. 응축가능한 석유 가스 제품들을 생산하기 위한 프로세스는 반응기 용기 내부에서 공급원료를 고체 비활성 잔류물, 용융물 유체들, 및 가스 (gas) 들로 변환하고 반응기 용기를 나가는 응축가능한 석유 가스 제품들을 생산하도록 관리되는 인 시츄 (in situ) 화학적 반응들을 수반한다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 석유 제품들을 생산하기 위한 프로세스는 혼합된 폴리머 재료들을 포함하는 공급원료를 복수의 순차적인 반응기 구역들을 가지는 반응기 장치로 장전하는 단계; 공급원료, 및 반응기 장치를 통해 공급원료로부터 생성된 제품들을 전진시키면서 열 에너지를 반응기 용기에 적용하는 단계; 복수의 순차적인 반응기 구역들의 각각으로의 열 에너지 입력을 독립적으로 제어하고 반응기 장치의 복수의 순차적인 반응기 구역들의 각각의 내에서의 온도 경도 (temperature gradient) 를 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 혼합된 폴리머 재료들의 열적 크랙킹 (thermal cracking) 을 수행하기 위한 반응기 장치는 반응기 용기, 반응기 장치의 반응기 용기와 외부 쉬라우드 (outer shroud) 사이에서 배기 가스를 운반하는 채널 또는 플레넘 (plenum) 을 정의하는, 반응기 용기를 둘러싸는 외부 쉬라우드를 포함한다. 또 다른 예의 실시형태에서, 반응기 장치는 반응기 장치의 반응기 용기와 외부 쉬라우드 사이에서 배기 가스를 별도로 운반하기 위한 제 1 반응기 구역의 제 1 채널 및 제 2 반응기 구역의 제 2 채널 또는 플레넘을 정의하기 위하여 반응기 용기와 외부 쉬라우드 사이에서 연장되는 내부 벽을 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태는 각각의 반응기 구역에서의 질량 유량 (mass flow rate) 들 및 온도 프로파일들의 수동적 또는 자동적 제어를 포함하는, 반응기 장치에서의 열적 크랙킹 및 재조합 (recombination) 반응들을 제어하기 위한 수단을 제공한다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 석유 제품들을 생산하기 위한 시스템은 반응기 장치, 및 석유 제품들을 생산하기 위한 프로세스를 제어하기 위하여 반응기 장치와 통신하는 제어기를 포함한다. 제어기는 반응기 장치의 몇몇 동작 파라미터들을 제어하기 위하여 신호들을 반응기 장치로 송신하고 수신하고, 동작 파라미터들은 적어도 2 개의 축들을 따르는 반응기 용기 내에서의 온도 프로파일을 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 석유 제품들을 생산하기 위한 프로세스를 제어하기 위한 제어기는 제 1 반응기 구역으로부터 데이터를 수신하기 위한 제 1 제어 포트, 및 데이터를 반응기 장치의 제 1 반응기 구역으로 송신하기 위한 제 1 통신 포트를 포함한다. 컴퓨팅 디바이스는 제 1 제어 포트 및 제 1 통신 포트와 통신하는 프로세싱 유닛을 포함하고, 프로세싱 유닛은 제어 로직을 포함한다. 제어 로직은 제 1 반응기 구역에서의 가스 제품의 온도 판독을 포함하는 제 1 제어 포트의 데이터 신호를 수신할 수 있고, 제 1 판독기 구역에서의 열 입력 레이트, 및 제 1 반응기 구역에서 반응기 장치를 나가는 배기 가스 및 제품 가스 중의 적어도 하나의 질량 유량 중의 적어도 하나를 결정할 수 있다.
본 개시물의 상기한 그리고 다른 특징들은 동반된 도면들을 참조한 다음의 설명을 판독할 시에 본 개시물이 관련되는 당해 분야의 당업자들에게 분명해질 것이고;
도 1 은 본 발명의 예에 따른, 석유 제품들을 제조하기 위한 프로세스의 개략적인 흐름도이고;
도 2 는 본 발명의 예에 따른, 석유 제품들을 생산하기 위한 시스템의 단면의 개략적인 표현이고;
도 3 는 본 발명의 또 다른 예에 따른, 석유 제품들을 생산하기 위한 시스템의 단면의 개략적인 표현이고;
도 4a 및 도 4b 는 본 발명의 예에 따른, 석유 제품들을 생산하기 위한 시스템의 제어기를 구현하는 방법들을 예시하는 흐름도들이고;
도 5 는 본 발명의 일 예의 실시형태에 따른, 71 % 자유 부피 (free volume) 를 가지는 반응기에서의 혼합된 폴리머의 3 개의 상이한 공급 조성 (feed composition) 들을 이용하여 생산되었던 응축가능한 석유 가스 제품들의 온도 대 중량 퍼센트 손실 (percent weight loss) 을 예시하는 그래프이고;
도 6 은 본 발명의 일 예의 실시형태에 따른, 88% 자유 부피를 가지는 반응기에서의 혼합된 폴리머의 2 개의 상이한 공급 조성들을 이용하여 생산되었던 응축가능한 석유 가스 제품들의 온도 대 중량 퍼센트 손실을 예시하는 그래프이고;
도 7 은 본 발명의 일 예의 실시형태에 따른, 97% 자유 부피를 가지는 반응기에서의 혼합된 폴리머의 공급 조성들을 이용하여 생산되었던 응축가능한 석유 가스 제품들의 온도 대 중량 퍼센트 손실을 예시하는 그래프이고;
도 8 은 본 발명의 실시형태에 따른, 71 % 자유 부피 및 88 % 자유 부피를 가지는 반응기들에서 생산되었던 응축가능한 석유 가스 제품들의 변동 및 평균 퍼센트 변동을 예시하는 그래프이고;
도 9 는 본 발명의 일 예의 실시형태에 따른, 71 %, 88 %, 97 %, 및 99 % 자유 부피를 가지는 반응기들에서 생산되었던 응축가능한 석유 가스 제품들의 온도 대 중량 퍼센트 손실의 도표들을 예시하는 그래프이고;
도 10 은 본 발명의 예에 따른, 석유 제품들을 생산하기 위한 프로세스로부터 생산된 가스 스트림의 응축가능한 부분의 액체 석유 크로마토그래프 트레이스 (chromatograph trace) 의 그래프를 예시한다.
본 발명의 석유 제품들을 생산하기 위한 프로세스, 반응기 장치, 및 시스템들의 다양한 예들은 일반적으로, 혼합된 폴리머 폐기물을 포함하지만, 이것으로 제한되지는 않는 혼합된 폴리머 재료들을 대체가능한 석유 제품들의 일관된 품질 출력으로 변환하는 프로세스들 및 장비에 관한 것이다. 이 대체가능한 석유 제품들은 나프타 (naphtha); 증류물 (distillate) (예컨대, 디젤 (diesel)); 및 경유 (gas oil) (예컨대, 중유 (heavy oil) 및 왁스 (wax)) 를 포함하지만, 이것으로 제한되지는 않는다. 본원에서의 석유 제품들을 생산하기 위한 프로세스들은 적어도 50 %, 또 다른 예에서 약 50 % 로부터 약 90 % 까지, 또 다른 예에서 약 60 으로부터 약 90 % 까지, 그리고 또 다른 예에서 약 70 % 로부터 약 90 % 까지의 대체가능한 제품들을 산출할 수 있다. 본원에서의 프로세스들의 일 예의 실시형태들은 프로세스에 의해 생성된 가스 제품에 기초하여, 적어도 약 55 %, 약 60 % 로부터 약 90 % 까지, 또 다른 예에서 약 70 % 로부터 약 92 % 까지의 응축가능한 가스를 생산할 수 있다.
석유 제품들을 생산하기 위한 프로세스는 혼합된 폴리머를 포함하는 공급원료의 열분해, 및 반응기 용기 내부에서 고체 비활성 잔류물, 용융물 유체들, 및 가스들을 생산하는 인 시츄 반응들을 수반한다. 고체 비활성 잔류물 스트림 및 가스 제품 스트림은 반응기를 진출한다. 응축가능한 및 비-응축가능한 가스 제품들로의 공급원료의 질량 변환은 반응기 용기 내에서 발생한다. 최대로 약 100 중량% 의 응축가능한 가스 제품은 이용가능한 연료 제품으로 변환되고, 최대로 100 % 의 비-응축가능한 가스는 연료를 위하여 이용될 수 있다.
본원에서 이용된 바와 같은 용어 "공급원료" 는 석유 제품들을 생산하는 프로세스 동안에 이용된 적어도 2 개의 상이한 폴리머들의 혼합물을 함유하는 재료를 지칭한다. 공급원료는 폴리머 스크랩 (polymer scrap) 을 포함하지만, 이것으로 제한되지는 않는다.
본원에서 이용된 바와 같은 용어 "폴리머 스크랩" 은 그 의도된 목적을 위하여 더 이상 필요하지 않은 사후-제조 (post-manufacturing) 및 사후-소비자 (post-consumer) 플라스틱을 지칭한다. 예를 들어, 사후-소비자 플라스틱은 전형적으로, 버진 플라스틱 (virgin plastic) 의 열처리 및 변형, 예컨대, 몰딩 (molding), 압출 (extrusion) 등에 의해 생성되었던 3 차원 제품이다.
본원에서 이용된 바와 같은 용어 "탄화수소질 재료 (hydrocarbonaceous material)" 는 탄소 및 수소 원자들을 함유하는 재료, 예를 들어, 공급원료 재료를 지칭한다.
본원에서 이용된 바와 같은 용어 "용융된 재료 (molten material)" 는 일부 고체를 갖는 액체로 부분적으로 용융되는 재료, 또는 오직 부분적으로 용용된 재료를 지칭한다.
본원에서 이용된 바와 같은 용어 "열분해" 는 상승된 온도들에서의 유기 재료의 열적 분해를 지칭하고, 예를 들어, 10 % 미만 산소인, 산소 가스의 낮은 레벨들의 존재 시에 있을 수 있다.
본원에서 이용된 바와 같은 용어 "열적 분해" 는 더 높은 분자량 (molecular-weight) 폴리머 재료들이 더 낮은 분자량의 재료들로 분해되는 프로세스를 지칭한다.
본원에서 이용된 바와 같은 용어 "열적 크랙킹" 은 더 높은 분자량 유기 재료들, 예를 들어, 올리고머 (oligomer) 들이 더 낮은 분자량의 유기 재료들로 추가로 분해되는, 증기 공간에서 발생하는 프로세스를 지칭한다.
본원에서 이용된 바와 같은 용어 "재조합 반응들" 은 더 작은 분자 파편 (fragment) 들이 더 높은 분자량 재료들을 형성하기 위하여 반응하는, 증기 공간에서 발생하는 화학적 프로세스를 지칭한다.
용어 "무산소성" 은 예를 들어, 3 % 미만, 2 % 미만, 1 % 미만, 또는 제로-근접 (near-zero) 산소 가스, O2, 또는 환경에서의 가스의 부피에 기초한 "자유" 또는 "비구속 (unbound)" 산소를 가지는 환경을 지칭한다.
본원에서 이용된 바와 같은 용어 "고체 비활성 잔류물" 은 공급원료의 열적 분해 동안에 형성되거나 고체로 남아 있는 고체 재료를 지칭한다.
본원에서 이용된 바와 같은 용어 "가스" 는 응축가능한 가스, 비-응축가능한 가스, 및 과열된 가스를 포함하는 모든 가스를 지칭한다.
본원에서의 용어 "유체" 는 가스, 액체, 슬러리 (slurry), 또는 용융된 질량 (molten mass) 인 재료를 지칭한다.
본원에서 이용된 바와 같은 용어 "고체들" 은 형상에 있어서 단단하고 안정적이고 액체 또는 가스가 아닌 재료를 지칭한다. 고체들의 예들은 원료공급 재료 및 고체 비활성 잔류물을 포함한다.
본원에서의 용어 "배치 프로세스 (batch process)" 는 모든 반응물들이 프로세스의 시작 시에 반응기에서 배치되고, 그 다음으로, 반응 동안에 재료가 반응기로 공급되거나 반응기로부터 제거되지 않는 반응의 미리 결정된 코스에 따라 프로세싱되는 프로세스이다.
본원에서의 용어 "계속적 프로세스" 는 반응물들이 도입되고 제품들이 계속적인 방식으로 동시에 회수되는 프로세스를 지칭한다.
본원에서의 용어 "반-계속적 프로세스" 는 배치 또는 계속적 프로세스의 어느 것에도 맞지 않는 프로세스를 지칭한다. 예를 들어, 반-계속적 프로세스는 반응물들의 일부가 시작 시에 장전되는 반면, 나머지는 반응이 진행함에 따라 계속적으로 공급되는 프로세스를 포함할 수 있다. 또 다른 예는 제품들 중의 하나 이상이 계속적으로 제거되는 것을 제외하고는, 배치 반응기와 유사하다. 또 다른 예에서, 프로세스는 반응이 진행하고 제품들이 간헐적으로 제거됨에 따라 반응물들이 계속적으로 공급되는 계속적 프로세스와 유사하다.
본원에서 이용된 바와 같은 용어 "촉매 (catalyst)" 는 반응의 동역학 (kinetics) 의 속력을 높이는 재료를 지칭한다.
본원에서 이용된 바와 같은 용어 "첨가된 촉매가 없는 (no added catalyst)" 은 프로세스로의 첨가된 촉매 재료를 가지지 않는, 예를 들어, 공급원료에 첨가되거나 프로세스를 수행하기 위한 반응기 용기에 첨가되는 촉매가 없는, 석유 제품들을 생산하기 위한 프로세스를 지칭한다.
본원에서 이용된 바와 같은 용어 "열 레이트 (heat rate)" 는 반응기 용기에서 시간 당 적용된 열을 지칭한다.
본원에서 이용된 바와 같은 용어 "열 플럭스 (heat flux)" 는 재료가 접촉하는 가열된 표면의 단위 면적 당 적용된 열 레이트를 지칭한다.
본원에서 이용된 바와 같은 용어 "수율 (yield)" 은 공급원료의 질량 당 응축된 가스 제품의 질량으로서 정의된다. 수율 = (응축된 가스 제품의 질량 / 공급원료의 질량) x 100. 예를 들어, 응축된 가스 제품의 질량이 50 kg 이고, 공급원료의 질량이 75 kg 일 경우, 수율은 66.7 % 이다.
본원에서 이용된 바와 같은 용어 "제어된 일관성 (controlled consistency)" 은 공급원료 조성에서의 변동이 주어질 경우에, 응축가능한 연료 제품들, 예를 들어, 나프타, 증류물, 및 경유의 조성의 제어를 유지하기 위한 능력을 지칭한다.
도 1 은 본 발명의 양태에 따른, 석유 제품들을 생산하기 위한 프로세스의 프로세스 흐름도 (1) 이다. 공급 유닛 (2) 은 공급원료 스트림 (3) 을 따라 반응기 장치 (4) 로 유동하는 공급원료 재료를 함유한다. 반응기 장치 (4) 내에서 발생하는 열적 분해 프로세스, 예를 들어, 열분해 프로세스는 공급원료를, 반응기 장치를 나가고 가스 수집 유닛 (6) 에서 수집되는 석유 가스 제품 스트림 (5) 으로 변환한다. 수집된 가스는 제품 저장 탱크 (도시되지 않음) 에서 응축될 수 있고 저장될 수 있다. 고체 비활성 잔류물 스트림 (7) 은 또한, 반응기 장치 (5) 를 나가고, 고체 수집 유닛 (8) 에서 수집된다. 양자의 수집된 가스 및 수집된 고체들은 추가의 포스트-프로세싱 (post-processing) 을 거칠 수 있다. 공급 유닛 (2) 은 예를 들어, 공급원료 재료를 미리 결정된 공급 레이트에서 반응기 장치를 향해 전진시키는 오거 (auger) 일 수 있고, 공급 유닛은 임의적으로 열을 공급원료에 제공할 수 있다. 석유 제품들을 제조하기 위한 프로세스는 공급 레이트가 반응 동안에 변동될 때, 배치, 반-계속적, 및 계속적 프로세스에서 일관된 품질의 제품을 산출할 수 있다는 것이 본원에서 발견된다. 프로세스는 또한, 공급원료 조성이 프로세스 동안에 변동될 때, 일관된 품질의 제품을 산출할 수 있다.
프로세스는 반응기 장치를 나가는 희망된 가스 제품 조성들을 달성하기 위하여, 응축 및 재조합 반응들과 조합된 일련의 가스 크랙킹 반응들을 제공한다. 본원에서의 예들 중의 임의의 것에서, 프로세스는 배치 프로세스, 계속적 프로세스, 또는 반-계속적 프로세스에서 실행될 수 있다. 본원에서의 예들 중의 임의의 것에서, 석유 제품들을 생산하는 프로세스는 반응 화학 (reaction chemistry) 의 관리가 반응기 장치의 하나의 반응 구역에서, 또는 단일 반응기 용기 내에서 포위된 복수의 반응 구역들에서 발생하든지 간에, 반응기 용기에서의 반응 화학의 관리를 포함한다. 본원에서의 일 예의 실시형태들 중의 임의의 것에서, 석유 제품들을 생산하기 위한 프로세스는 프로세스를 수행하기 위하여 비 첨가된 촉매를 이용한다.
발명의 하나의 예의 실시형태에서, 계속적 프로세스는 열분해 및 동시적인 가스 상 (gas phase) 크랙킹 및 재조합 반응들을 통해, 혼합된 폐기물 플라스틱들을 대체가능한 석유 제품들, 예컨대, 나프타, 증류물, 왁스, 및 경유로 변환한다. 에너지 분포는 반응 용기에서 발생하는 다양한 크랙킹 및 재조합 반응들에 영향을 주도록 제어될 수 있고, 이 에너지 분포는 다양한 방법들로 제어될 수 있다는 것이 본원에서 발견되었다. 예를 들어, 에너지 분포는 반응기 용기로의 열 입력을 제어함으로써, 그리고 반응기 용기에서의 온도 경도를 제어함으로써 제어될 수 있다. 온도 경도는 열 입력을 제어함으로써, 그리고 반응기 용기의 열 회수를 제어함으로써 제어될 수 있다. 열 회수는 예를 들어, 반응기 장치의 반응기 용기의 외부 표면을 통과하고 및/또는 그 외부 표면과 접촉하는 가스의 유량 (flow rate) 및/또는 온도를 제어함으로써 제어될 수 있다. 또 다른 예에서, 에너지 분포는 열 입력을 제어함으로써, 그리고 반응기 장치 용기의 복수의 반응기 구역들에서의 온도 경도를 독립적으로 제어함으로써 제어될 수 있다. 반응기 장치 및 프로세스의 설계는 일련의 제어된 열분해 및 제어된 가스 상 크랙킹 및 재조합 반응들이 조성에 있어서 변동될 수 있는 혼합된 공급원료들을 사용하여 제어된 일관성으로 석유 제품들을 생산하는 것을 가능하게 한다.
열 에너지는 독립적으로 적용될 수 있고, 단일 반응기 용기, 또는 복수의 순차적인 반응기 구역들을 포함하는 반응기 용기로부터 회수될 수 있다. 반응기 장치 내에서의, 및/또는 반응기 용기의 하단 표면 내지 반응기 유출구 포트에서의 반응기의 상단 부분 사이의 순차적인 반응기 구역들의 각각 내에서의 온도 경도. 본원에서 개시된 프로세스들은 혼합된 폴리머 스크랩을 포함하는 광범위한 혼합된 폴리머들로부터 희망된 조성 분포들의 석유 제품들을 생산한다는 것이 발견되었다. 비일관된 조성 혼합물들의 공급원료는 동일한 제품 조성들의 실질적으로 동일한 타겟화된 분포, 즉, 희망된 "조성 분포" 를 생산할 수 있다. 예를 들어, 본원에서의 프로세스에 의해 생산된 제품들은 타겟 조성들, 나프타, 증류물, 왁스, 경유의 각각의 희망된 백분율 범위를 포함할 수 있다. 이하의 예들은 석유 제품에서 제어된 일관성을 보여준다. 예를 들어, 탄화수소질 공급원료 재료 (hydrocarbonaeous feedstock material) 의 조성은 약 10 % 로부터 약 70 % 까지의 폴리에틸렌, 약 10 % 로부터 70 % 까지의 폴리프로필렌, 약 10 % 로부터 약 30 % 까지의 폴리스티렌, 및 폴리비닐 클로라이드, 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 폴리메틸 메타크릴레이트, 나일론, 및 등을 포함하지만, 이것으로 제한되지는 않는, 약 0 % 로부터 30 % 까지의 다른 보편적 용도의 폴리머 재료들로 변동될 수 있다. 또 다른 예에서, 공급원료는 적어도 65 중량% 탄화수소질 재료를 포함하는 적어도 60 중량% 혼합된 폴리머 스크랩을 포함한다.
도 2 는 본 발명의 하나의 양태에 따라, 혼합된 폴리머들의 열분해를 수행하기 위한 시스템 (10) 의 개략적인 예시도이다. 하나의 예에서, 시스템 (10) 은 비-회전 반응기 용기 (14) 및 반응기 용기 (14) 를 실질적으로 둘러싸는 외부 쉬라우드 (16) 를 포함하는 이중-벽형 (double-walled) 장치인 반응기 장치 (12) 를 포함한다. 실시형태에서, 반응기 장치 (12) 는 비-회전 장치이다. 외부 쉬라우드 (16) 는 반응기 용기 (14) 로부터 거리, 예를 들어, 약 2 내지 20 센티미터의 범위인 거리로 이격되고, 내부 벽 (18) 은 유체 채널들 또는 플레넘 (20 및 22) 을 정의하기 위하여 반응기 용기 (14) 와 외부 쉬라우드 (16) 사이에서 연장되는 임의적인 분리 벽이다. 내부 벽이 존재할 때, 유체 채널들 (20 및 22) 은 열 교환 매질, 예를 들어, 가스 유체가 반응기 용기 (14) 와 외부 쉬라우드 (16) 사이의 반응기 용기 (14) 의 외관을 따라 별도로 순환되거나 채널화되는 것을 허용한다. 반응기 장치 (12) 는 열적 손실들을 감소시키고 프로세스의 열적 효율을 개선시키기 위하여, 외부 쉬라우드의 외관을 따라 절연부를 임의적으로 포함한다.
도 2 에서 도시된 바와 같이, 반응기 장치 (12) 는 예를 들어, 유입구 포트로부터 유출구 포트로, 반응기 장치의 수평 축, 축 X 를 따라 연속적이고 그리고 인접한 반응기 구역들인, 복수의 반응기 구역들, 예를 들어, 제 1 반응기 구역, Z1, 및 제 2 반응기 구역, Z2 를 가진다. 별도의 반응기 구역들 Z1 및 Z2 는, 반응기 용기 (14) 의 외부 표면의 둘레 (perimeter) 를 따라 연장되고 양자의 반응기 용기 (14) 및 외부 쉬라우드 (16) 와 접촉하는 내부 벽 (18) 의 로케이션 (location) 에 의해 정의된다. 반응기 용기 (14) 는 반응기의 수평 축을 따르는 유동을 표시하는 화살표 (19) 의 방향에서 공급원료들의 유동에 개방적이지만, 반응기 용기 (12) 의 반응기 구역들 Z1 및 Z2 는 유체 채널들, 유체 채널들 (20 및 22) 을 분리시키는 내부 벽 (18) 의 로케이션에 따라 정의된다. 도시된 바와 같이, 예를 들어, 반응기 구역 Z1 은 반응기 장치 (12) 의 업스트림 부분 (upstream portion) (23) (즉, 내부 벽 (18) 사이의 점선 (24) 의 표시된 업스트림) 으로서 도시되고, 유체 채널 (20) 에 의해 둘러싸이는 반응기 용기 (14) 의 부피, 및 또한, 유체 채널 (20) 의 환형 부피 (annular volume) 를 포함한다. 반응기 구역 Z2 는 반응기 장치 (12) 의 다운스트림 부분 (downstream portion) (25) (즉, 내부 벽 (18) 사이의 점선 (24) 의 표시된 다운스트림) 으로서 도시되고, 유체 채널 (22) 에 의해 둘러싸이는 반응기 용기 (14) 의 부피, 및 또한, 유체 채널 (22) 의 환형 부피를 포함한다.
따라서, 본 발명의 예에서, 혼합된 폴리머 재료들의 열분해를 수행하기 위한 반응기 장치는 반응기 용기 (14), 및 반응기 용기를 둘러싸는 외부 쉬라우드 (16) 를 포함한다. 내부 벽 (18) 은 외부 쉬라우드와 반응기 용기 사이에서 연장되고, 반응기 용기와 외부 쉬라우드 사이에서 유체, 예를 들어, 가스 유체를 별도로 운반하기 위한 제 1 유체 채널 (20) 및 제 2 유체 채널 (22) 을 정의한다. 유체 채널 (20) 은 제 1 반응기 구역 Z1 에서 반응기 용기 (14) 주위에 배치되고, 유체 채널 (22) 은 반응기 장치 (12) 의 제 2 반응기 구역 Z2 에서 반응기 용기 (14) 주위에 배치된다. 반응기 장치 (12) 는, 열 에너지 Q1 및 Q2 를 각각 제 1 구역 Z1 및 제 2 구역 Z2 에 독립적으로 제공하는 복수의 열 소스들, 예를 들어, H1 및 H2 를 더 포함한다. 예를 들어, 열 소스들 H1 및 H2 는, 그 유동이 밸브들 (28, 30) 에 의해 제어될 수 있는 도관 (26) 을 통해 유동하는 가스 연료에 의해 연료공급되는 가스 버너 (gas burner) 를 포함할 수 있다. 본 발명의 하나의 예에 따르면, 열 소스들 H1 및 H2 는 반응기 장치 (12) 의 수평 길이를 따라, 즉, 수평 축을 따라, 각각 반응기 구역들 Z1 및 Z2 의 반응기 용기 (14) 와 외부 쉬라우드 (16) 사이의 반응기 장치 (12) 의 내부에서 배치된다. 또 다른 예에서, 열 소스들 H1 및 H2 는 외부에서, 또는 반응기 장치 (12) 의 외부에 배치된다. 열 에너지 입력은 열 소스들 H1 및 H2 를 통해 각각의 반응기 구역, Z1 및 Z2 에서 독립적으로 제어되고, 온도 경도는 순차적인 반응기 구역들의 각각 내에서, 제 2 축을 따라, 예를 들어, 수직 축을 따라 생성된다. 반응기 용기로 장전된 공급원료의 단위 질량 당 열 에너지는 약 0.5 MJ/kg/hr 로부터 약 5 MJ/kg/hr 까지의 범위일 수 있다.
본원에서 개시된 일 예의 프로세스들은 독립적으로 제어되는 복수의 연속적인 반응기 구역들을 따라 혼합된 폴리머 재료들을 운반한다. 즉, 열 에너지는 온도 경도, 예를 들어, 순차적인 반응기 구역들의 각각 내에서 축 Y 로서 표시된 수직 축을 따르는 온도 경도를 생성하면서, 독립적으로, 복수의 순차적인 반응기 구역들의 각각에 적용되고 복수의 순차적인 반응기 구역들의 각각으로부터 회수된다. 공급원료와 접촉하는 열분해 용기 (60) 의 하단 표면으로부터 반응기 용기의 출구 포트 (54) 에서의 반응기 용기 (25) 의 상단 부분까지의 온도 경도 또는 차분은 폭넓게, 예를 들어, 약 50 ℃ 로부터 450 ℃ 까지, 또 다른 예에서, 약 90 ℃ 로부터 약 350 ℃ 까지, 그리고 또 다른 예에서, 약 100 ℃ 로부터 약 300 ℃ 까지의 범위일 수 있다.
고온 가스는 유체 채널들 (20 및 22) 을 통해 유동한다. 이 예에서, 가스는, 열 소스 H2 에 의해 생성되고 채널 (22) 을 통해 유동하는 배기 가스로부터 별도로 채널화되는, 즉, 그 배기 가스와 혼합하지 않는, 열 소스 H1 에 의해 생성되며 채널 (20) 을 통해 유동하는 배기 가스이다. 반응기 장치는 열 에너지 Q3 을, 프로세스의 고체 잔류물의 배출을 위한 개구부 (39) 를 가지는 유출구 포트 (38) 에 제공하기 위한 임의적인 열 소스, H3 을 포함할 수 있다. 열 소스 H3 은 반응기 장치의 외부 쉬라우드 (16) 의 내부 또는 외부, 또는 양자에 위치될 수 있다. 열 소스 H3 이 반응 용기 (14) 와 외부 쉬라우드 (16) 사이에서 위치되는 가스 버너일 경우, 배기 가스는 예를 들어, 반응기 구역 Z2 의 유체 채널 (22) 에서 순환될 수 있다. 열 에너지는 반응기 용기의 기저부 부분에서의 용융물 폴리머 및/또는 잔류 고체들로부터 반응기 용기의 상단 부분에서의 가스들로 제어되는 온도 경도를 생성하면서, 독립적으로, 복수의 순차적인 반응기 구역들의 각각에 적용되고 복수의 순차적인 반응기 구역들의 각각으로부터 회수된다.
반응기 장치 (12) 는 각각의 반응기 구역 Z1 및 Z2 에서, 외부 쉬라우드 (16) 를 따라 채널 통기구 (channel vent) 들 (40 및 42) 을 각각 포함한다. 배기 통기구들 (40 및 42) 은 각각 채널들 (20 및 22) 로부터의 배기 가스의 배출을 제어하기 위한 유동 제어 디바이스 (44 및 46), 예를 들어, 밸브들, 댐퍼들, 및 그 조합들을 더 포함한다. 유동 제어 디바이스는 반응기 용기와 외부 쉬라우드 사이의 채널들로부터의 배기 가스의 유동을 독립적으로 조정하거나 완전히 차단하여, 반응기 용기에서 가스를 응축하고 크랙킹 반응들 및 제품들을 제어하기 위한 각각의 반응기 구역의 에너지 입력 및/또는 회수를 제어하기 위하여 이용될 수도 있다. 댐퍼 이외의 유동 제어 디바이스는 통기 (venting) 를 제어하기 위하여 이용될 수 있고, 이러한 디바이스는 예를 들어, 밸브를 포함할 수 있지만, 밸브로 제한되지는 않는다는 것이 이해되어야 한다. 복수의 순차적인 반응기 구역들의 각각으로부터의 열 에너지 회수는 가스 크랙킹 및 재조합 프로세스들 및 프로세스로부터 획득된 제품들을 제어하기 위하여 독립적으로 제어될 수 있다.
증기 제품들을 포함하는 가스 스트림은 반응기 용기 (14) 의 적어도 하나의 제품 도관, 예를 들어, 50 및 52 를 통해 반응기 장치 (12) 를 진출한다. 각각의 제품 도관 (50, 52) 은 프로세스 전반에 걸쳐, 증기 제품의 질량 배출 (mass discharge) 및 어느 정도까지의 가스 조성을 임의적으로 제어하기 위한 밸브, 예를 들어, 각각 밸브 (54) 및 밸브 (56) 를 임의적으로 포함한다. 반응기 용기를 나가는 가스 제품들은 추가의 프로세싱을 위하여 수집된다. 예를 들어, 반응기를 나가는 석유 가스 제품의 평균 질량 유량은 약 0.008 kg/Lㆍhr 로부터 약 0.06 kg/Lㆍhr 까지 (시간 당 0.5 파운드/입방 피트 (pounds/cubic foot) 내지 시간 당 약 3.5 입방 피트 당 파운드) 의 범위일 수 있다.
본 발명의 예에 따르면, 프로세스는 그것이 반응기 장치를 통해 진전될 때에 열 에너지를 혼합된 폴리머 재료들에 적용하는 것을 포함한다. 프로세스는 순차적인 반응기 구역들, Z1 및 Z2 에 적용된 열 에너지를 독립적으로 제어하는 것, 및 순차적인 반응기 구역들 Z1 및 Z2 로부터 회수되는 열 에너지를 독립적으로 제어하는 것을 포함한다. 열 에너지의 제어는 반응기 용기 (14) 의 기저부 (60) 로부터 상단 (62) 으로, 예를 들어, 축 Y 로서 표시된 수칙 축을 따라, 각각의 반응기 구역 내에서 온도 경도를 생성한다. 본원에서 개시된 본 발명의 일 예의 프로세스들은 적용되고 회수된 열 에너지를 제어하여, 일련의 응축, 가스 크랙킹 및 재조합 반응들을 제공하고, 이에 따라, 희망된 조성 품질을 보장하는 리플럭싱 (refluxing) 을 촉진시킨다.
여전히 도 2 를 참조하면, 적어도 2 개의 상이한 폴리머들을 포함하는 혼합된 폴리머 재료의 공급원료 (70) 는 반응기 장치 (12) 의 유입구 (74) 의 개구부 (72) 를 통해 공급된다. 공급원료 (70) 가 반응기 장치를 통해 가열되고 운반될 때, 그것은 용융물 폴리머 (76), 고체 잔류물 (78), 및 가스 (80) 상태들로의 물리적인 변환을 거친다. 본원에서 개시된 열분해 프로세스들은 용융물 폴리머, 잔류 고체들, 및 가스 상들 사이의 별개의 그리고 상호작용하는 영역들 또는 계면들을 제어한다. 본원에서 개시된 본 발명의 일 예의 프로세스들은 가스 형성, 응축의 레이트, 및 이에 따라, 가스 상에서 생산된 분자들의 타입을 제어한다.
동작 동안, 반응기 용기 (14) 내부에서 유동하는 가스 스트림들 (80 및 81) 로서 표시된, 생성된 가스의 온도는 공급원료에서의 혼합된 폴리머들의 용융 온도, 또는 유리 전이 온도들을 실질적으로 초과한다. 반응기 용기 (14) 내부의 온도는 폴리머 용융물 및 잔류 고체들과 접촉하는 반응기의 기저부 (60) 로부터, 가스성 제품들에 의해 접촉되는 반응기의 상단 (62) 까지 변동될 것이다.
이에 따라, 하나의 예에서, 석유 제품들을 생산하기 위한 프로세스는 혼합된 폴리머 재료를 포함하는 공급원료 (70) 로 반응기 장치 (12) 를 장전하는 것, 및 반응기 장치 (12) 를 통해, 공급 원료 및 공급원료에 의해 생성된 제품들을 전진시키면서 공급원료를 가열하는 것을 포함한다. 복수의 순차적인 반응기 구역들의 각각에 적용된 열 에너지는 독립적으로 제어되고, 복수의 순차적인 반응기 구역들의 각각으로부터 회수된 열 에너지는 독립적으로 제어된다. 열분해 프로세스에 의해 생성되고 반응기로부터 수집된 제품들은 가스성 제품들 및 잔류 고체들을 포함한다. 가스성 제품들은 예를 들어, 디젤 연료들 및 나프타와 같은 석유 제품들을 생산하기 위한 추가의 프로세싱, 예를 들어, 수소-처리 (hydro-treating) 를 위하여 수집된다.
프로세스는 동작에 있어서 무산소성이다. 용어 "무산소성" 은 낮은, 또는 제로-근접 산소 가스, O2, 또는 "자유" 또는 "비구속" 산소 함량을 가지는 환경을 지칭한다. 즉, 반응기 장치 (12) 에 진입하는 공급원료의 초기 가열 시에, 그리고 열분해 프로세스의 전반에 걸쳐, 반응기 용기 (14) 는 반응기 용기의 내부 부피에 기초하여, 약 3% 부피 미만의 산소, 대안적인 실시형태에서, 약 2 % 부피 미만의 산소, 대안적인 실시형태에서, 약 1 % 부피 미만의 산소, 그리고 또 대안적인 실시형태에서, 약 0.01 % 로부터 약 1 % 까지의 부피의 산소를 함유한다.
반응기 장치 (12) 의 반응기 용기 (14) 로의 공급원료의 로딩 (loading) 은 반응기 용기의 크기 및 기하구조를 수용하도록 제어된다. 재료가 반응기 용기를 따라, 그리고 연속적인 반응기 구역들을 통해 운반될 때, 용융물 폴리머의 질량은 감소되고 잔류 고체들은 남아 있다. 그것이 건조되고, 예를 들어, 약 5 중량% 미만의 탄소를 함유할 때까지, 열이 잔류 고체들에 적용된다.
공급원료의 로딩의 평균 면적은 반응기 기하구조에 따라서는, 베드 깊이 (bed depth) 에서의 변동들을 참작한다. 예를 들어, 원통형 또는 직사각형이고, 수평인, 즉, 높이보다 적어도 2 또는 3 배 더 큰 길이를 가지는, 예를 들어, 반응기 형상들에 있어서, 높은 부피 대 표면적을 가지는 반응기가 바람직하다. 본원에서 설명된 일 예의 실시형태들에서, 반응기는 열분해 동안에 잔류 고체들의 층의 형성을 가능하게 하기 위한 충분한 깊이 또는 직경과, 또한, 제어된 가스 상 크랙킹 및 재조합 반응들을 가능하게 하기 위한 공급원료 위의 충분한 헤드 공간 (head space) 을 가진다. 반응기는 초기 가열 시의 적어도 약 30 % 자유 부피, 일부 실시형태들에서, 초기 가열 시의 적어도 약 60 % 자유 부피, 및 대안적인 실시형태에서, 가열 시의 적어도 약 80 % 자유 부피, 그리고 또 다른 실시형태에서, 가열 시의 약 60 % 로부터 약 99 % 까지의 자유 부피를 가진다.
가스성 제품들 및 잔류 제품들의 형태인 제품은 반응기 장치로부터 수집될 수 있다. 가스성 제품들은 적어도 하나의 제품 도관, 예를 들어, 도관 (50) 으로부터 수집된다. 제품 조성 프로파일은 순차적인 반응기 구역들의 각각에서의 에너지 입력 및 회수를 제어함으로써 제어될 수 있다. 반응기 장치 (12) 로부터 생산된 총 가스성 제품들은 공급원료의 중량에 기초하여, 적어도 약 50 중량%, 또 다른 예에서, 적어도 약 82 중량%, 또 다른 예에서, 적어도 약 93 중량%, 그리고 또 다른 예에서, 적어도 약 96 중량% 를 포함한다. 응축가능한 탄화수소들은 생산된 총 가스성 제품들에 기초하여, 약 50 중량% 로부터 약 98 중량% 까지, 또 다른 예에서, 약 60 중량% 로부터 90 중량% 까지 변동된다. 예를 들어, 생산된 응축가능한 탄화수소들은 생산된 가스성 제품들의 중량에 기초하여, 약 10 중량% 로부터 약 60 중량% 까지의, 3 개의 스트림들 중의 적어도 하나, 예를 들어, 나프타, 증류물, 또는 경유를 포함한다. 예를 들어, 생산된 응축가능한 탄화수소들은 가스성 제품의 중량에 기초하여, 약 10 중량% 로부터 약 60 중량% 까지, 또 다른 예에서, 약 15 중량% 로부터 약 35 중량% 까지의 나프타, 약 10 중량% 로부터 약 60 중량% 까지, 또 다른 예에서, 약 15 중량% 로부터 약 35 중량% 까지의 증류물, 및 약 10 중량% 로부터 약 60 중량% 까지, 또 다른 예에서, 약 15 중량% 로부터 약 35 중량% 까지의 연료 오일을 포함할 수 있다.
크랙킹 및 리포메이션 (reformation) 을 통해 가스 형성의 레이트 및 가스 상에서의 분자들의 타입을 제어하는 것은 몇몇 제어 변수들을 수반한다. 예를 들어, 제어 변수들은 반응기 용기 (14) 로의 공급원료의 레이트, 반응기 장치 (12) 또는 반응기 용기 (14) 로의 에너지 입력, 열 플럭스, 반응기 용기 (14) 로부터의 가스의 질량 유동 (mass flow), 반응기 용기의 외부를 따르는 가스, 예를 들어, 배기 가스의 유동, 잔류 고체 층 두께, 수평 열적 경도, 열적 경도, 반응 챔버의 형상, 잔류 고체, 액체, 폼 (foam), 가스 구역들의 비율, 제품 가스 제거의 로케이션, 수직 온도 경도, 및 가스 제품 상주 시간을 포함하지만, 이것으로 제한되지는 않는다.
다양한 파라미터들의 제어는 하드 와이어링 또는 무선, 또는 광 섬유든지 간에, 수동적, 전기적, 및 공압식 제어 중의 적어도 하나에 의해 달성될 수도 있다. 수동적 제어 및/또는 제어 로직은 양자의 수직 및 종 축들, 예컨대, 각각 축 Y 및 축 X 에서의 반응기 용기 내의 온도 프로파일, 및 각각의 반응기 구역 내의 반응기 용기의 아크 (arc) 를 따르는 온도 프로파일에 대한 제어 메커니즘을 제공한다. 에너지 입력 및 에너지 회수는 공급 레이트, 혼합 레이트, 및 반응기 용기 (14) 내의 혼합된 폴리머 용융된 풀 (mixed polymer melt pool) (즉, 용융물 폴리머) 의 길이 및 깊이 프로파일을 포함하지만, 이것으로 제한되지는 않는 몇몇 변수들에 기초하여 각각의 반응기 구역 내에서 발생한다.
적어도 하나의 온도 감지 엘리먼트, 예를 들어, 열전대 (thermocouple) 는 반응 용기 내부의 가스성 상태에서 반응기 제품들 중의 임의의 것의 온도를 나타내는 출력 신호를 제공하기 위하여 반응기 장치 (12) 내에서 배치된다. 반응기 장치 (12) 는 각각 제품 도관들 (50 및 52) 에서 또는 그 근처에서, 그리고 또한, 외부 쉬라우드 (16) 를 따라 채널 통기구들 (40 및 42) 에서 또는 그 근처에서, 온도 센서들 (95 및 96) 을 포함할 수 있다. 온도 신호는 추가로 설명되는 바와 같이, 제어기로 통신되고/제어기에 인가되는 전기적 신호일 수 있다. 제어기 (86) 는 이 측정된 온도를 설정된 포인트 신호와 비교하고, 유동 제어 디바이스들 (44 및 46), 밸브들 (54 및 56), 및 그 조합들을 조정하는 출력 신호를 확립한다. 측정된 온도가 미리 결정된 온도 제어 값보다 더 작아야 할 경우, 열 소스들은 제 1 반응기 구역의 열 입력 레이트를 증가시키도록 조절된다. 반응기 구역에서의 측정된 온도가 미리 결정된 온도 제어 값보다 더 클 경우, 열 댐퍼는 예를 들어, 배기 통기구를 통한 플레넘 가스 또는 배기 가스의 질량 유량을 증가시키도록 조절된다.
도 3 은 본 발명의 또 다른 예에 따라, 혼합된 폴리머들의 공급원료를 이용하여 석유 제품들을 생산하기 위한 프로세스를 수행하기 위한 시스템 (100) 의 개략적인 예시도이다. 시스템 (100) 은 도 2 의 시스템 (10) 과 유사하고, 5 개의 반응기 구역들, 5 개의 반응기 구역, Z1, Z2, Z3, Z4, 및 Z5 를 가지는 반응기 장치 (102) 를 가진다. 반응기 구역들의 수는 달성되어야 할 제품 조성 분포에 따라 변동될 수 있고, 반응기 장치는 그 각각이 독립적으로 제어될 수 있는, 예를 들어, 3 내지 10 개의 반응기 구역들, 또 다른 예에서, 5 내지 15 개의 반응기 구역들을 포함할 수도 있다는 것이 주목되어야 한다. 연속적인 반응기 구역들의 각각은 열 교환 매질, 예를 들어, 배기 가스들이 반응기 용기 (14) 와 외부 쉬라우드 (16) 사이의 반응기 용기 (14) 의 외관을 따라 별도로 순환되거나 채널화되는 것을 허용하는 5 개의 유동 채널들 (예컨대, 플레넘들) 을 정의하는 벽 (18) 을 포함한다. 반응기 장치 (102) 는 또한, 반응기 구역들의 각각에 열을 독립적으로 연료공급하는 복수의 열 소스들 H1, H2, H3, H4, 및 H5, 및 복수의 온도 센서들 (91, 93, 140, 142, 및 144) 을 포함한다. 반응기 장치 (102) 는 또한, 유동 제어 디바이스들 (44, 46, 130, 132, 및 134), 예를 들어, 밸브들, 댐퍼들, 및 그 조합들을 포함하는 배기 통기구들 (40, 42, 120, 122, 및 124) 을 포함한다. 장치 (102) 는 밸브들, 댐퍼들, 및 그 조합들과 같은 유동 제어 디바이스들의 전기적 제어를 위한 센서들 (92, 94, 150, 152, 및 154) 을 임의적으로 포함한다.
예를 들어, 도 2 및 도 3 에 대하여 위에서 설명된 프로세스를 포함하는, 본원에서 설명된 프로세스들 중의 임의의 것에서, 공급원료 및 공급원료에 의해 생성된 제품들은 예를 들어, 중력에 의해, 또는 교반 (agitation) 의 또 다른 수단에 의해 순차적인 반응기 구역들을 따라 운반될 수 있다. 도 2 및 도 3 의 반응기 장치 (12) 또는 반응기 용기 (14), 또는 양자는 수평 축 X 를 따라 각도, 각도 α 로 배향될 수 있다. 또 다른 예에서, 반응기 용기는 지면과 평행하고, 각도, α 는 제로이다. 수평 축 X 에 대한 반응기의 수평 축의 각도, 각도 α 는 예를 들어, 약 20 도 로부터 약 -20 도까지, 또 다른 예에서, 약 10 도로부터 약 -5 도까지, 그리고 또 다른 예에서, 약 5 도로부터 약 -5 도까지 변동될 수 있다.
반응기 용기 (14) 내부의 교반의 또 다른 수단은 도 3 의 헬리컬 나사 (helical screw) (112) 를 포함하는 다양한 기계적 교반기들을 포함할 수 있다. 헬리컬 나사 (112) 는 반응기 용기 (14) 내부의 다양한 로케이션들을 따라, 예를 들어, 수평, 수직, 및 방사상 축들을 따르는 로케이션들에서 온도를 모니터링할 수 있는, 헬리컬 리지 (helical ridge) (114) 를 따르는 또는 나사 루트 (screw root) (118) 를 따르는 열전대들 (116) 을 포함할 수 있다.
혼합된 폴리머 재료들인 공급원료들은 적어도 2 개의 상이한 폴리머들, 예를 들어, 열가소성 폴리머들, 열경화성 폴리머들, 및 그 배합물 (blend) 들 중의 2 개 이상의 혼합물을 포함한다.
폴리머 재료들은 예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 (acrylonitrile-butadiene-styrene; ABS) 코폴리머 (copolymer) 들, 폴리아미드, 폴리우레탄, 폴리에테르들, 폴리카보네이트들, 폴리(옥사이드들), 폴리(설파이드들), 폴리아릴레이트들, 폴리에테르케톤들, 폴리에테르이미드들, 폴리술폰들, 폴리우레탄들, 폴리비닐 알콜들과, 예를 들어, 디엔 (diene) 들, 올레핀 (olefin) 들, 스티렌들, 아크릴레이트들, 아크릴로니트릴, 메타크릴레이트들, 메타크릴로니트릴과 같은 모노머 (monomer) 들의 폴리머화에 의해 생산된 폴리머들, 디애시드 (diacid) 들 및 디올 (diol) 들의 폴리머들, 락톤들, 디애시드들 및 디아민 (diamine) 들의 폴리머들, 락탐들, 비닐 할라이드들, 비닐 에스테르들, 그 블록 코폴리머들, 및 그 합금들과 같은 열가소성 폴리머들을 포함할 수 있다. 열분해 시에 할로겐화된 재료를 산출하는 폴리머들, 예를 들어, 폴리비닐 클로라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 및 다른 할로겐화된 폴리머들은 부식성일 수 있지만, 용인될 수 있다.
폴리머 재료들은 또한, 예를 들어, 에폭시 수지들; 페놀 수지들; 멜라민 수지들; 알키드 수지들; 비닐 에스테르 수지들; 비포화된 폴리에스테르 수지들; 가교결합된 폴리우레탄들; 폴리이소시아누레이트들; 폴리이소프렌, 폴리부타디엔, 스티렌-부타디엔, 스티렌-이소프렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머 폴리머를 포함하지만, 이것으로 제한되지는 않는 가교결합된 엘라스토머 (elastomer) 들; 및 그 배합물들과 같은 열경화성 폴리머들을 포함할 수 있다.
혼합된 폴리머 재료들은 또한, 바이오폴리머 (biopolymer) 들과 같은 지속가능한 바이오재료들을 포함할 수 있다. 바이오폴리머들은 그것들이 무한하게 성장될 수 있는 식물 재료들로 이루어지므로, 지속가능할 수 있고, 탄소 중립적일 수 있고, 재생가능할 수 있다. 이 식물 재료들은 농업 비-식량 작물들로부터 나온다. 바이오폴리머들의 예들은 예를 들어, 식량 패키징 응용들을 위한 멀티-층 시트에서 이용되는 폴리젖산 (polylactic acid; PLA) 및 폴리히드록시알카노에이트 (polyhydroxyalkanoate; PHA) 를 포함하지만, 이것으로 제한되지는 않는다.
스크랩 재료에서 발견된 폴리머 재료는 열가소성 및 열경화성 폴리머들의 조합, 예를 들어, 타이어들, 페인트, 자동차 파쇄기 폐기물 (automotive shredder waste) (플러프 (fluff)) 등을 가질 수 있고, 본원에서의 열분해 프로세스의 다양한 예들에 따라 공급원료로서 이용될 수 있다.
혼합된 폴리머 공급은 모두 고체 공급원료의 평균 중량에 기초하여, 평균적으로, 약 2 중량% 내지 약 25 중량% 의 범위에서, 또 다른 예에서, 약 3 중량% 내지 약 20 중량% 의 범위에서, 그리고 또 다른 예에서, 약 3 중량% 내지 약 15 중량% 의 범위에서, 그리고 또한 또다른 예에서, 약 7 중량% 미만에서 충전재 (filler) 들, 오염물들 등을 포함할 수 있다.
위에서 설명된 배치, 반-계속적, 또는 계속적 프로세스들 중의 임의의 것의 예에서, 공급원료 조성은 폴리에틸렌들, 폴리프로필렌들, 및 폴리스티렌들의 조합된 폴리머들의 약 40 중량% 로부터 약 90 중량% 까지, 또 다른 예에서, 약 50 % 로부터 약 85 % 까지, 또 다른 예에서, 약 70 % 로부터 약 80 % 를 포함한다. 나머지 폴리머들은 폴리우레탄, 나일론, PET, 및 폴리비닐클로라이드, 및 등을 포함할 수 있지만, 이것으로 제한되지는 않는다.
위에서 설명된 공급원료들 중의 임의의 것은 실질적으로 파쇄된 폴리머 (shredded polymer) 로서 반응기로 도입되고, 또 다른 예에서, 공급원료의 적어도 부분은 다른 형태들로 존재할 수 있다. 예를 들어, 공급원료는 몰딩된 또는 압출된 폴리머, 시트, 막 또는 멀티-층 막들, 및 폼 시트 또는 몰딩된 제품들의 형태로 존재할 수도 있다.
도 2 및 도 3 의 시스템들 (10 및 100) 은 본원에서 논의된 제어 파라미터들, 예를 들어, 온도, 공급 레이트, 배기 가스의 질량 유량, 제품 가스의 유동 범위, 교반 레이트, 및 고체 비활성 잔류물 추출기 레이트 중의 임의의 것의 전기적 제어를 위한 제어기 (86) 를 포함한다. 제어기 (86) 는 프로세서 (88) 및 메모리 (89) 를 포함한다. 메모리 (89) 는 예를 들어, 제어기 (86) 상에서 작동하는 컴퓨터-실행가능 명령들 (예컨대, 컴퓨터 로직, 제어 로직 등) 에 기초하여, 본원에서 설명된 시스템들 및 방법들을 구현하기 위하여 구체화될 수 있는 비-일시적, 머신-판독가능 매체이다. 제어기 (86) 는 반응기 장치와 일체적일 수 있고, 반응기 장치의 컴포넌트로서 구현될 수 있다. 또 다른 예에서, 제어기 (86) 는 단독형 컴퓨터 시스템으로서 구현될 수 있고, 및/또는 네트워크화된 환경에서, 그리고 하나 이상의 범용 네트워크화된 컴퓨터 시스템들, 내장된 컴퓨터 시스템들, 라우터들, 스위치들, 서버 디바이스들, 클라이언트 디바이스들, 다양한 중간 디바이스들/노드들과 통신하여 동작할 수도 있다. 논리적 접속들은 로컬 영역 네트워크 (local area network; LAN) 및 광역 네트워크 (wide area network; WAN) 를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 사용자는 키보드, 포인팅 디바이스 (예컨대, 마우스), 터치 스크린 등과 같은 사용자 입력 디바이스 (도시되지 않음) 를 통해 커맨드들 및 정보를 제어기 (86) 로 입력할 수 있다. 이러한 그리고 다른 입력 디바이스들은 시스템에 결합되는 대응하는 인터페이스를 통해 프로세서 (88) 에 종종 접속된다. 제어기 (86) 는 제어기 (86) 에 의한 출력의 검토를 위하여 디스플레이 (90) 에 임의적으로 접속된다. 도 2 는 또한, 프로세스의 적당한 제어를 결정하기 위한 컴퓨터-실행가능 명령들 (즉, 로직) 을 포함하는 메모리 (89) 를 도시한다.
본 발명의 양태에 따라 석유 제품들을 제조하기 위한 프로세스를 제어하기 위한 방법 (200) 을 구현하기 위한 플로우차트 예시도는 도 4a 및 도 4b 에서 도시되어 있다. 방법 (200) 은 박스 (202) 에서 도시된 바와 같이, 제 1 반응기 구역 (도 2 및 도 3) 에서의 가스 온도를 감지함으로써 시작한다. 방법은 박스 (204) 에서 도시된 바와 같이, 제 1 반응기 구역에서 존재하는 가스의 온도 판독을 포함하는 데이터 신호를 수신하는 것을 포함한다. 가스 온도는 제 1 반응기 구역의 채널, 또는 제 1 반응기 구역의 가스 출구 포트 근처의 반응기 용기의 상단 부분에서 발견될 수 있다. 204 에서의 로직이 제 1 반응기 구역에서의 가스 온도가 미리 결정된 최소 온도보다 더 작은 것으로 결정할 경우, 제어기는 제 1 열 구역 Z1 로의 열을 증가시키기 위하여 박스 (2016) 에서 도시된 열 소스 H1 을 조절할 것이다. 로직은 박스 (208) 에서 제 2 열 구역 Z2 에서의 가스의 온도를 수신할 수 있거나, 210 에서, 온도가 너무 높고 미리 결정된 온도 최대치를 초과하는지 여부를 결정하기 위하여 체크할 수 있다. 박스 (214) 에서의 로직이 온도가 너무 높은 것으로 결정할 경우, Z1 에서의 댐퍼는 희망된 범위 내에서 온도를 제어하기 위하여 216 에서 조절될 것이다. 제어기는 또한, 열 소스 및/또는 댐퍼가 제 2 반응기 구역 Z2 에서, 각각 224 및 228 에서 조절될 필요가 있는지 여부를 결정하기 위하여 제 2 반응기 구역에서의 가스 온도를 체크할 것이다. 도 4b 는 공급 레이트 및 교반기 레이트들을 제어하기 위한 제품 가스의 열 플럭스 및 가스 스트림 유량을 결정하기 위한 후속하는 제어기 로직 단계들을 도시한다. 또한, 제어기는 잔류 고체들에서의 탄화수소들의 양을 표시하는 센서 데이터를 수신할 것이고, 그 다음으로, 이에 따라 고체들의 추출기 레이트를 제어할 것이다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 반응기 장치에서 석유 제품들을 생산하기 위한 프로세스를 제어하기 위한 제어기는 제 1 반응기 구역으로부터 데이터를 수신하기 위한 제 1 제어 포트, 및 데이터를 반응기 장치의 제 1 반응기 구역으로 송신하기 위한 제 1 통신 포트를 포함한다. 컴퓨팅 디바이스는 제 1 제어 포트 및 제 1 통신 포트와 통신하는 프로세싱 유닛을 포함하고, 프로세싱 유닛은 제어 로직을 포함한다. 제어 로직은 제 1 반응기 구역에서의 가스 제품의 온도 판독을 포함하는 제 1 제어 포트의 데이터 신호를 수신할 수 있고, 제 1 판독기 구역에서의 열 입력 레이트, 및 제 1 반응기 구역에서 반응기 장치를 나가는 배기 가스의 질량 유량 중의 적어도 하나를 결정할 수 있다.
따라서, 본 발명의 예에서, 반응기 장치에서 석유 제품들을 생산하기 위한 프로세스를 제어하기 위한 제어기는 제 1 반응기 구역으로부터 데이터를 수신하기 위한 제 1 제어 포트, 및 반응기 장치의 제 2 반응기 구역으로부터 데이터를 수신하기 위한 제 2 제어 포트; 데이터를 제 1 반응기 구역으로 송신하기 위한 제 1 통신 포트, 및 데이터를 반응기 장치의 제 2 반응기 구역으로 송신하기 위한 제 2 통신 포트를 포함한다. 제어기는 제 1 및 제 2 제어 포트들 및 제 1 및 제 2 통신 포트와 통신하는 프로세싱 유닛을 포함하고, 프로세싱 유닛은 제어 로직을 포함한다. 제어 로직은 제 1 반응기 구역에서의 가스 제품의 온도 판독을 포함하는 제 1 제어 포트의 데이터 신호, 및 제 2 반응기 구역에서의 가스 제품의 온도 판독을 포함하는 제 2 제어 포트의 데이터 신호를 수신할 수 있고, 제 1 반응기 구역에서의 열 입력 레이트 및 제 1 반응기 구역에서의 배기 가스의 질량 유량 중의 적어도 하나를 결정할 수 있다.
크랙킹 및 리포메이션을 통해 가스 형성의 레이트 및 가스 상에서의 분자들의 타입을 제어하는 것은 몇몇 제어 변수들을 수반한다. 예를 들어, 제어 변수들은 반응기 용기 (14) 로의 공급원료의 레이트, 반응기 장치 (12) 또는 반응기 용기 (14) 로의 에너지 입력, 열 플럭스, 반응기 용기 (14) 로부터의 가스 제품의 질량 유동, 용기의 외부를 따르는 열의 유동, 고체 비활성 잔류물 두께, 수평 열적 경도, 방사상 열적 경도, 반응 챔버의 형상, 고체 비활성 잔류물, 액체, 폼, 가스 구역들의 비율, 제품 가스 제거의 로케이션, 수직 온도 경도, 및 가스 제품 상주 시간을 포함하지만, 이것으로 제한되지는 않는다.
다양한 제어 파라미터들의 제어는 하드 와이어링 또는 무선, 또는 광 섬유든지 간에, 공압식으로, 수동적으로, 전기적 제어에 의해, 그리고 그 조합들로 제어될 수도 있다. 수동적 제어 및/또는 제어 로직은 양자의 수직 및 수평 축들, 예컨대, 각각 축 Y 및 축 X 에서의 반응기 용기 내의 온도 프로파일, 및 반응기 용기의 각각의 반응기 구역 내의 반응기 용기의 아크 (arc) 를 따르는 온도 프로파일에 대한 제어 메커니즘을 제공한다. 에너지, 예를 들어, 에너지 입력 및 에너지 회수의 제어는 공급 레이트, 혼합 레이트, 및 반응기 용기 (14) 내의 혼합된 폴리머 용융된 풀 (즉, 용융물 폴리머) 의 길이 및 깊이 프로파일을 포함하지만, 이것으로 제한되지는 않는 몇몇 변수들에 기초하여 각각의 반응기 구역 내에서 발생한다.
온도 감지 엘리먼트, 예를 들어, 열전대는 반응 용기 내부의 가스성 상태에서 반응기 제품들 중의 임의의 것의 온도를 나타내는 출력 신호를 제공하기 위하여 반응기 장치 용기 (11) 내에서 배치된다. 이 신호는 제어기로 통신되고/제어기에 인가되는 전기적 신호일 수 있다. 제어기 (86) 는 이 측정된 온도를 설정된 포인트 신호와 비교하고, 댐퍼 (44) 를 요구하는 출력 신호를 확립한다. 측정된 온도가 미리 결정된 온도 제어 값보다 더 작아야 할 경우, 열 소스들은 제 1 반응기 구역의 열 입력 레이트를 증가시키도록 조절된다. 측정된 온도가 미리 결정된 온도 제어 값보다 더 클 경우, 열 밸브 또는 댐퍼 (46) 는 배기 통기구를 통한 배기 가스의 질량 유량을 증가시키도록 조절된다.
예들은 발명의 특정한 실시형태들 및 연관된 장점들을 더 명확하게 설명하기 위하여 포함되었다. 그러나, 본 발명의 범위 내에는 광범위한 실시형태들이 있고, 이것들은 본원에서 제공된 특정한 예들로 제한되지 않아야 한다.
예들
다음의 예들은 본 발명의 다양한 실시형태들에 따라 연료 제품들을 생산하기 위한 프로세스를 예시한다. 이하의 실험들은 연구용 크기의 반응기 장치 및 상업적 크기의 반응기 장치의 양자를 이용하여 행해졌다. 다음의 예들에서 생산된 석유 제품들의 결과들은 도 5 내지 도 10 에서 도시되어 있고, 나프타, 증류물, 및 중유 연료의 일관된 품질을 생산한 상이한 로딩에서의 상이한 공급 조성들의 몇몇 런 (run) 들로부터 획득된 제품 조성들을 예시한다.
예들 1 내지 6
(도 2 에서 도시된 바와 같은) 내부 용기 및 외부 쉬라우드를 가지는 원통형 수평 반응기는 이하에서 설명된 배치 열분해 실험들을 위하여 이용되었다. 반응기의 부피는 대략 19 리터 (liter) 의 작업 부피이다. 교반은 느린 레이트의 속력 (1 내지 10 RPM) 으로 용기의 벽을 닦는 패드 교반기 (paddle stirrer) 에 의해 제공되었다. 용기는 용기 아래에 위치된 리본 버너에 의해 가열되었고, 열은 설정된 포인트에서 가스 온도의 연소를 유지함으로써 제어되었다. 액체 제품은 열분해 증기를 응축기를 통해 통과시킴으로써 캡처 (capture) 되었다.
버진 수지 펠릿 (virgin resin pellet) 들 및 리그라인드 재료 (regrind material) 들의 2 개의 상이한 폴리머 혼합물 조성들이 이용되었고, 혼합물 조성들은 폴리머 컴포넌트들의 분포를 예시하는 이하의 표 1 에서 도시되어 있다.
Figure 112018105725508-pct00001
개별적인 수지들의 용융물 밀도들 및 각각의 수지의 수량들은 표 2 에서 도시된 바와 같이, 공급 폴리머 혼합물의 용융물 밀도를 계산하기 위하여 이용되었다.
Figure 112018105725508-pct00002
다양한 공급 폴리머 혼합물들의 용융물 밀도는 표 2 에서 열거된 바와 같은 각각의 조성 및 로딩에 대한 반응기의 자유 부피를 결정하기 위하여 계산되었다. 초기 자유 부피의 레벨들은 열분해의 시작 전의 반응기에서의 자유 부피를 표현한다.
공급 3 은 상업적인 재료 복원 설비로부터 획득된 스크랩 플라스틱들의 파쇄된 #3 내지 #7 베일들로부터 준비되었다. 이 베일들은 잔류 #1 - 폴리에스테르; #2 - # 3 - 폴리비닐 클로라이드, #4 - 저밀도 및 선형 저밀도 폴리에틸렌들, #5 - 폴리프로필렌, #6 - 폴리스티렌, 및 #7 - 다른 플라스틱들과 함께 혼합된, 재활용되었던 병들 및 저그 (jug) 들의 복원 후에 남아 있는 고밀도 폴리에틸렌을 함유하였다.
공급 재료의 3 개의 상이한 로딩 레벨들은 표 3 에서 도시된 바와 같이 이용되어, 자유 부피의 상이한 레벨들을 제공하였다.
Figure 112018105725508-pct00003
각각의 런에 대하여, 혼합된 폴리머 재료들은 산소 레벨을 1 % 미만으로 감소시키기 위하여 그 후에 아르곤으로 밀봉 (seal) 되고 퍼징 (purge) 되었던 열분해 용기로 로딩되었다. 용기는 재료를 열분해하기 위하여 가열되었다. 액체의 중량 및 액체 수율이 레코딩되었다. 중복적인 런들은 각각의 로딩에 대하여, 각각의 폴리머 혼합물 조성에 대하여 1 파운드 로딩 (즉, 97 % 자유 부피) 의 예외와 함께 수행되었고, 오직 공급 혼합물 조성 2 가 중복적으로 행해졌다. 중복적인 런들의 결과들은 평균화되었다.
액체 제품들의 품질은 동일한 공급 혼합물 조성 및 동일한 자유 부피의 중복적인 런들로부터의 액체의 복합 샘플에 대한 ASTM D6352 (고온 시뮬레이팅된 증류) 분석에 의해 평가되었다. 데이터는 이하의 표 4 에서 도시되어 있고, 응축가능한 석유 가스 제품들의 온도 대 중량 퍼센트 손실을 도시하는 도 5, 도 6, 및 도 7 에서 표현되어 있다. 도 5, 도 6, 및 도 7 의 도표들은 각각 71 %, 88 %, 및 97 % 의 동일한 자유 부피에서의 상이한 공급 조성들 (표 1) 의 런들 사이의 결과적인 제품의 변동을 도시한다. 각각의 그래프 상의 도표들의 가까운 근접성은 본원에서의 프로세스가 매우 상이한 공급 혼합물 조성들을 가지는 런들 사이에서 높은 일관성 제품을 생산하였다는 것을 도시한다. 반응기에서의 10 파운드의 공급 재료 (71 % 자유 부피) 를 가지는 런들을 표현하는 도 5 는 심지어 3 개의 공급 조성들을 갖는 석유 제품의 일관된 품질이 상이하다는 것을 도시한다. 3 개의 상이한 공급 조성들의 폴리머 혼합물들은 표 2 에서 그리고 다음에서 개시되어 있다. 도 6 은 예들 2 및 3 의 결과들의 비교를 도시하고, 반응기에서의 4 파운드의 공급 재료 (88 % 자유 부피) 는 액체 제품의 일관된 품질을 다시 도시한다.
도 8 은 4 파운드 (88 % 자유 부피) 및 10 파운드 (71 % 자유 부피) 로딩들에 대한 런들 사이의 퍼센트 변동 대 증류된 중량 퍼센트의 도표이다. 각각의 로딩에 대한 평균 퍼센트 변동 대 증류된 중량 퍼센트가 또한 도시되어 있다. 그래프는 석유 제품들의 일관성이 자유 부피가 88 % 일 때, 약 4 % 이내이며 평균적으로 약 2 % 미만이고, 자유 부피가 71 % 일 때, 약 5 % 미만이며 평균적으로 약 3 % 미만인 것을 도시한다. 조성들 사이의 더 큰 일관성은 더 큰 자유 부피를 가지는 런들로 귀결되었다.
Figure 112018105725508-pct00004
예 7
계속적으로 공급된 프로세스에서 작동된 상업적인 스케일 런으로부터의 액체 제품의 품질은 유사한 배치 유닛 런들과의 비교로서 결정되었다. 상업적인 스케일 반응기는 대략 104,775 L 의 원통형 수평 교반식 반응기이고, 파쇄된 플라스틱을 탄화수소 액체, 비-응축가능한 가스, 및 잔류 고체들로 변환하기 위하여 이용되었다. 파쇄된 플라스틱의 혼합된 폴리머 공급의 중량 및 반응기 용기의 부피는 공급 폴리머 혼합물의 용융물 밀도를 계산하기 위하여 이용되었다. 공급 폴리머 공급의 용융물 밀도는 반응기의 자유 부피를 결정하기 위하여 계산되었고, 표 5 에서 열거된다.
Figure 112018105725508-pct00005
상업적인 스케일 반응기는 대략 475 kg 의 공급 3 으로 로딩되었다. 용기는 [10 psig] 517 mm Hg 의 내부 압력으로 가압함으로써 그리고 3 회 통기시킴으로써, 그 다음으로, 용기를 가열하기 전의 414 mm Hg 로의 퍼지 (purge) 에 의해 질소 (Nitrogen) 로 퍼징되었다. 일단 액체 생산이 확립되었으면, 추가적인 폴리머 파쇄물들은 대략 500 kg/hr 의 평균 레이트에서 압축기 공급기 (extruder feeder) 를 통해 용기에 첨가되었다. 용기 내의 나머지 플라스틱은 인식가능한 가스 또는 액체 생산이 없을 때까지 프로세싱되었다. 그 다음으로, 유닛에 적용된 열은 정지되었다. 총 5665 kg 이 액체 탄화수소, 비-응축가능한 탄화수소 가스 및 고체, 비활성 잔류물로 변환되었다.
도 9 는 예들 1 내지 7 의 응축가능한 석유 가스 제품들의 온도 대 중량 퍼센트 손실의 도표이다. 도 9 는 다양한 폴리머 로딩들 사이의 제품의 일관된 품질을 도시한다. 각각의 그래프 상의 도표들의 가까운 근접성은 본원에서의 프로세스가 매우 상이한 양들의 로딩을 가지는 런들 사이에서 높은 일관성 제품을 생산하였다는 것을 도시한다.
도 10 은 예 7 의 가스 석유 제품의 응축가능한 부분의 액체 석유 크로마토그래프 트레이스의 그래프이다.
예들 1 내지 7 의 모든 런들의 액체 수율은 표 6 에서 이하에 열거되어 있다.
Figure 112018105725508-pct00006
상기한 상세한 설명 및 예들은 오직 이해의 명확함을 위하여 주어졌다. 불필요한 제한들은 그로부터 이해되어야 하는 것이 아니다. 발명은 몇몇 특정 실시형태들을 참조하여 설명되었지만, 당해 분야의 당업자에게 자명한 변동들이 포함될 것이므로, 발명은 도시되고 설명된 정확한 세부사항들로 제한되지는 않는다. 설명은 제한된 의미에서 해석되도록 의도된 것이 아니다. 개시된 실시형태들 뿐만 아니라, 발명들의 대안적인 실시형태들의 다양한 수정들은 발명의 설명을 참조할 시에 당해 분야의 당업자들에게 분명해질 것이다. 그러므로, 첨부된 청구항들은 발명의 범위 내에 속하는 이러한 수정들을 커버할 것으로 고려된다. 당해 분야 내에서의 이러한 개선들, 변경들, 및 수정들은 첨부된 청구항들에 의해 커버되도록 의도된다.

Claims (36)

  1. 석유 가스 제품을 생산하기 위한 프로세스로서,
    폴리머 공급원료 (feedstock) 를 포함하는 공급원료를 열분해 반응기 용기로 장전하는 단계로서, 반응기는 상기 공급원료를 상기 반응기를 통해 전진시키기 위한 나사를 갖고, 상기 반응기는 상기 반응기 용기 내의 폴리머 공급원료의 양에 기초하여 적어도 60% 의 자유 부피를 갖는, 상기 공급원료를 열분해 반응기 용기로 장전하는 단계;
    열 에너지를 상기 반응기 용기에 적용하고 상기 공급원료를 용융된 재료 및 가스들로 변환하는 단계로써, 상기 변환하는 단계는 상기 반응기 용기를 통해 상기 용융된 재료를 전진시키면서 무산소성 동작에서 이루어지는, 상기 변환하는 단계;
    반응 용기를 실질적으로 둘러싸는 외부 쉬라우드; 상기 외부 쉬라우드와 상기 반응기 용기 사이에 연장되고 열 교환 매체를 위한 상기 쉬라우드 내의 상기 반응기 용기의 외관 및 수평 길이를 따라 복수의 유체 가열 채널들을 정의하는 내부 벽 또는 복수의 내부 벽들을 포함하고,
    상기 프로세스는 첨가된 촉매를 갖지 않고,
    상기 용융된 재료 및 가스들을 크랙킹 및 리포밍시키고 상기 반응기에서 석유 가스 제품들을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 반응기는 회전하지 않는, 석유 가스 제품을 생산하기 위한 프로세스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세스는 반-계속적 또는 계속적 프로세스이고, 상기 공급원료의 조성은 상기 프로세스 동안에 변동되는, 석유 가스 제품을 생산하기 위한 프로세스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응기는 상기 반응 용기의 수평축을 따라 복수의 순차적인 반응기 구역들을 포함하여, 상기 반응기의 상기 자유 부피 내에서 수직 방향으로 및 축 방향으로 상기 열 에너지 및 온도 경도를 제어하고 상기 가스 제품들을 생산하는, 석유 가스 제품을 생산하기 위한 프로세스.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 온도 경도는 90 ℃ 로부터 350 ℃ 까지의 범위인, 석유 가스 제품을 생산하기 위한 프로세스
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 프로세스로부터 얻어진 상기 가스 제품은 상기 공급원료의 50 중량% 로부터 98 중량% 까지의 범위이고,
    상기 온도 경도는 상기 반응기 용기의 하단 표면의 온도와 상기 반응기 용기의 상단 부분을 따르는 상기 석유 가스 제품의 온도 사이의 온도 차분이고, 50 ℃로부터 450 ℃까지의 범위인, 석유 가스 제품을 생산하기 위한 프로세스.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 복수의 반응기 구역들은 제 1 반응기 구역 및 제 2 반응기 구역을 포함하고, 상기 열 에너지가 제 1 열 소스에 의해 상기 반응기 용기의 상기 제 1 반응기 구역에 적용되고, 열 에너지가 제 2 열 소스에 의해 상기 제 2 반응기 구역에 적용되는, 석유 가스 제품을 생산하기 위한 프로세스.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 복수의 반응기 구역들의 각각 내에서의 상기 온도 경도는 반응기 장치의 제 1 반응기 구역을 따라 제 1 유체 채널에서 배기 가스를 운반함으로써, 그리고 상기 반응기 장치의 제 2 반응기 구역을 따라 제 2 유체 채널에서 배기 가스를 운반함으로써 제어되는, 석유 가스 제품을 생산하기 위한 프로세스.
  8. 제 6 항에 있어서,
    가스 제품들을 수집하는 단계를 포함하고,
    수집된 상기 가스 제품들은 가스 제품들의 중량에 기초하여 적어도 50 중량% 의 응축가능한 탄화수소들을 포함하고, 상기 반응기의 상기 자유 부피는 적어도 80% 인, 석유 가스 제품을 생산하기 위한 프로세스.
  9. 제 8 항에 있어서,
    생산된 응축가능한 탄화수소들은 가스 제품의 중량에 기초하여, 10 중량% 로부터 60 중량% 까지의, 나프타, 증류물, 및 연료 오일의 각각을 포함하고, 상기 반응기의 상기 자유 부피는 적어도 80% 인, 석유 가스 제품을 생산하기 위한 프로세스.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 폴리머 공급원료 재료의 조성은 10 으로부터 70 % 까지의 폴리에틸렌, 10 % 로부터 70 % 까지의 폴리프로필렌, 10 % 로부터 30 % 까지의 폴리스티렌, 또는 폴리비닐 클로라이드, 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 폴리메틸 메타크릴레이트 또는 나일론을 포함하는 0 % 로부터 30 % 까지의 다른 폴리머 재료들로 변동되고, 상기 반응기의 상기 자유 부피는 적어도 80% 인, 석유 가스 제품을 생산하기 위한 프로세스.
  11. 반응기 장치로서,
    폴리머 공급원료 (feedstock) 로부터 석유 가스 제품들을 생산하기 위한 열분해 반응기 용기로서, 반응기는 상기 반응기 내의 상기 폴리머 공급원료의 양에 기초하여 적어도 60% 의 자유 부피를 갖고, 상기 반응기는 상기 공급원료를 상기 반응기를 통해 전진시키기 위한 나사를 갖는, 상기 반응기 용기;
    상기 반응기 용기를 실질적으로 둘러싸는 외부 쉬라우드 (shroud);
    상기 쉬라우드 내부에 위치한 열 소스;
    상기 외부 쉬라우드와 상기 열분해 반응기 용기 사이에서 연장되고, 열 교환 매체를 위한 상기 쉬라우드 내의 상기 반응기 용기의 외관 및 수평 길이를 따라 복수의 가열된 유체 채널들을 정의하는 내부 벽 또는 복수의 내부 벽들을 포함하고,
    상기 열 교환 매체는 상기 반응기 내에서 상기 공급원료를 크랙킹 및 리포밍하고 석유 가스 제품들을 형성하는 것이 가능한, 반응기 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 반응기는 상기 유체 채널들을 통해 가열될 수 있어, 상기 공급원료가 가열되고; 그리고,
    상기 반응기는 상기 반응기 및 상기 쉬라우드를 통해 상기 석유 가스 제품을 배출시키기 위한 적어도 하나의 제품 도관을 갖고; 그리고
    상기 반응기 장치는 회전 불가능한, 반응기 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 외부 쉬라우드와 상기 반응기 용기 사이에서 연장되는 복수의 상기 내부 벽들을 포함하는, 반응기 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    각각의 상기 가열된 유체 채널은 채널 통기구를 포함하고,
    상기 폴리머 공급원료는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 (acrylonitrile-butadiene-styrene; ABS) 코폴리머 (copolymer) 들, 폴리아미드, 폴리에테르, 폴리카보네이트, 폴리(옥사이드), 폴리(설파이드), 폴리아릴레이트, 폴리에테르케톤, 폴리에테르이미드, 폴리술폰, 폴리우레탄, 폴리비닐 알콜, 또는 디엔 (diene) 들, 올레핀 (olefin) 들, 스티렌들, 아크릴레이트들, 아크릴로니트릴들, 메타크릴레이트들, 메타크릴로니트릴들을 포함하는 모노머들의 폴리머화에 의해 생산된 폴리머들, 디애시드들 및 디아민 (diamine) 들의 폴리머들, 락탐들, 비닐 할라이드들, 또는 비닐 에스테르들, 및 이들의 블록 코폴리머들, 및 이들의 임의의 조합을 포함하는, 반응기 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 가열된 유체 채널 통기구는 유동 제어 밸브를 포함하고,
    상기 반응기의 상기 자유 부피는 적어도 80% 인, 반응기 장치.
  16. 제 12 항에 있어서,
    복수의 열 소스들을 포함하고,
    적어도 하나의 열 소스는 상기 유체 채널 내에 위치되는, 반응기 장치.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 제품 도관 내에 온도 센서들을 포함하는, 반응기 장치.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 복수의 가열된 유체 채널들은 상기 열분해 반응기 내에 복수의 반응 구역들을 형성하는, 반응기 장치.
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