KR20210128470A - 탄화수소의 생성 및 용도를 위한 방법 및 공정 장치 - Google Patents

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KR20210128470A
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마티 니에미넨
마티 레이니카이넨
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테크놀로지안 투트키무스케스쿠스 브이티티 오와이
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Abstract

본 발명은 고분자계 폐기물로부터 탄화수소를 생성하는 방법 및 공정 장치에 관한 것으로서, 고분자계 폐기물(1)은 혼합 생성물(4)을 형성하도록 기화기(2)에서 증기(3)로 저온에서 기화되고, 이 저온은 640℃내지 750℃이고, 혼합 생성물(4)은 기화기(2)로부터 적어도 하나의 탄화수소 분획물(7, 8, 9)을 분리하기 위한 탄화수소의 회수 유닛(6)으로 공급된다. 또한, 본 발명은 상기 방법의 용도에 관한 것이다.

Description

탄화수소의 생성 및 용도를 위한 방법 및 공정 장치
본원은, 탄화수소, 예를 들어, 올레핀을 생성하기 위한 청구항 제1항에 정의된 방법 및 청구항 제15항에 정의된 공정 장치에 관한 것이다. 또한, 본원은 청구항 제21항에 정의된 방법의 용도에 관한 것이다.
종래 기술에는 분해 공정에 의해 화석 원료로부터 탄화수소 및 올레핀을 생성하는 것이 알려져 있다. 또한, 종래 기술에는 상이한 올레핀분획물들이 회수 공정에 의해 분리될 수 있다는 것이 알려져 있다.
또한, 종래 기술에는, 폐플라스틱은 재활용되기 어렵고 신제품의 원료로서 활용하기 어렵다는 것이 알려져 있다. 기계적 재활용은 가장 저렴한 재활용 방식이지만, 그 적용 가능성은 깨끗한 플라스틱으로 제한되며, 기계적으로 재활용된 플라스틱은 통상적으로 낮은 수준의 응용 분야에서 사용된다.
목적은 폐원료로부터 올레핀과 같은 탄화수소를 생성하기 위한 새로운 유형의 방법 및 공정 장치를 개시하는 것이다. 또한, 목적은 고분자계 폐기물을 원료로서 활용하기 위한 새로운 유형의 방법 및 공정 장치를 개시하는 것이다. 또한, 목적은 올레핀 생성에 있어서 천연 화석 원료를 대체하는 것이다.
방법 및 공정 장치 및 용도는 청구범위에 제시된 것을 특징으로 한다.
방법 및 공정 장치에서, 탄화수소, 예를 들어, 올레핀은, 고분자계 폐기물을 기화기에서의 기화에 의해 처리하여 혼합 생성물을 형성함으로써 고분자계 폐기물로부터 생성되고, 회수 유닛에서 그 혼합 생성물로부터 분리된다.
본 발명을 더 이해하기 위해 포함되고 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은, 본 발명의 일부 실시형태를 도시하며, 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 데 일조한다. 도면에서,
도 1은 일 실시형태에 따른 공정의 흐름도를 도시한다.
도 2는 다른 일 실시형태에 따른 공정의 흐름도를 도시한다.
고분자계 폐기물로부터 탄화수소를 생성하는 방법에 있어서, 고분자계 폐기물(1)을 기화기(2)에서 증기(3)로 저온에서 기화하여 혼합 생성물(4)을 형성하고, 이때 저온은 기화기에서 640℃내지 750℃이고, 혼합 생성물(4)을 기화기(2)로부터 탄화수소의 회수 유닛(6)으로 공급하여 적어도 하나의 원하는 탄화수소 분획물(7, 8, 9)을 분리한다.
고분자계 폐기물로부터 탄화수소를 생성하기 위한 공정 장치는, 혼합 생성물(4)을 형성하도록 고분자계 폐기물(1)이 640℃내지 750℃의 저온에서 증기(3)로 기화되는 기화기(2), 증기(3)를 기화기(2)에 공급하기 위한 증기 유입구, 및 혼합 생성물(4)이 기화기(2)로부터 공급되고 적어도 하나의 원하는 탄화수소 분획물(7, 8, 9)이 분리되는 회수 유닛(6)을 포함한다.
방법 및 공정 장치의 일 실시형태가 도 1에 도시되어 있다. 방법 및 공정 장치의 다른 일 실시형태는 도 2에 도시되어 있다.
이와 관련하여, 고분자계 폐기물(1)은 고분자 또는 고분자들을 포함하거나 하나 이상의 고분자로 이루어진 임의의 폐기물을 의미한다. 종종, 고분자계 폐기물은 이종 물질이다. 일 실시형태에서, 고분자계 폐기물은, 적어도 폴리올레핀, 예를 들어, 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌을 포함한다. 고분자계 폐기물은 다른 고분자도 함유할 수 있다. 또한, 고분자계 폐기물은 종이, 판지, 및/또는 알루미늄 물질 등의 다른 성분도 함유할 수 있다. 일 실시형태에서, 고분자계 폐기물은 혼합된 플라스틱 물질이다. 일 실시형태에서, 고분자계 폐기물은 다층 플라스틱 패키지 및 생성물을 포함한다. 일 실시형태에서, 고분자계 폐기물은 80 w% 초과, 바람직하게는 90 w% 초과의 폴리올레핀을 포함한다. 일 실시형태에서, 고분자계 폐기물은, 80 w% 미만, 일 실시형태에서 70 w% 미만, 일 실시형태에서 60 w% 미만, 및 일 실시형태에서 50 w% 미만의 폴리올레핀을 포함한다. 일 실시형태에서, 고분자계 폐기물은 일 실시형태에서 2 w% 미만의 PVC 플라스틱을 포함한다. 일 실시형태에서, 고분자계 폐기물, 즉, 기화기(2)의 공급물은, 고체 형태, 예를 들어, 파쇄된 물질의 형태로 된 것이다. 일 실시형태에서, 고분자계 폐기물은, 예를 들어, 분쇄, 밀링, 쵸핑, 파쇄, 브리케팅(briquetting), 펠릿화, 또는 압축의 다른 수단에 의해 기화기로 공급되기 전에 처리된다. 일 실시형태에서, 고분자계 폐기물의 입자 크기는, 예를 들어 편평한 형태의 입자의 경우에는 0.1 mm 내지 100 mm, 예를 들어 구형 형태의 입자의 경우에는 0.1 mm 내지 30 mm로 다양할 수 있다. 일 실시형태에서, 고분자계 폐기물은, 예를 들어, 기화기로 공급되기 전에 공급물로부터의 산소를 감소시키도록 질소로 불활성화된다.
이와 관련하여, 혼합 생성물(4)은 기화기(2)로부터의 생성물 가스와 같은 임의의 혼합 생성물을 의미한다. 일반적으로, 혼합 생성물은, 탄화수소들의 혼합물이고, 일산화탄소와 수소를 추가로 포함할 수 있다. 혼합 생성물은 하나 이상의 성분을 포함한다. 일 실시형태에서, 혼합 생성물은 에틸렌, 프로필렌, 부타디엔, 방향족 탄화수소, 및/또는 기타 탄화수소를 함유할 수 있다. 일 실시형태에서, 혼합 생성물은 적어도 C1 내지 C6 탄화수소와 같은 경질 탄화수소를 포함한다. 일 실시형태에서, 혼합 생성물은 적어도 올레핀을 포함한다. 일 실시형태에서, 혼합 생성물은 적어도 에틸렌을 포함한다. 일 실시형태에서, 혼합 생성물은 적어도 에틸렌, 프로필렌, 및 벤젠 또는 톨루엔과 같은 경질 방향족 탄화수소를 포함한다. 일 실시형태에서, 혼합 생성물은 수소 및/또는 일산화탄소를 추가로 포함한다. 또한, 혼합 생성물은, 다른 성분 또는 화합물, 예를 들어, 고체 입자 또는 고체 불순물과 같은 고체 성분도 함유할 수 있다. 일 실시형태에서, 혼합 생성물은 올레핀-풍부 혼합 생성물이다. 일 실시형태에서, 혼합 생성물은 에틸렌-풍부 혼합 생성물이다.
이와 관련하여, 기화기에서의 기화는 증기에 의한 임의의 기화 공정을 의미한다. 기화는, 출발 물질을 기화 생성물, 예를 들어, 탄화수소 및 수소로 변환하는 공정이다. 이는 출발 물질을 적절한 온도에서 증기 및/또는 추가 산소의 제어되는 양으로 처리함으로써 달성된다.
일 실시형태에서, 기화기(2)는 하나 이상의 공지된 분해 유닛(12)과 병렬로 배치되며, 분해 유닛은 증기 분해기와 같은 적어도 하나의 분해 디바이스를 포함한다. 일 실시형태에서, 기화기(2)는 적어도 하나의 분해 유닛(12)과 병렬로 배치된다. 일 실시형태에서, 공정 장치는 기화기(2)와 평행하게 배치된 적어도 하나의 분해 유닛(12)을 포함한다. 상기 분해 유닛(12)에서, 분해 유닛의 탄화수소 혼합물(13)은, 원유 파생 증류물 또는 이들의 업그레이드된 생성물, 예를 들어, 나프타, 에탄, 또는 프로판 등의 다른 원료(11)로부터 분해됨으로써 생성된다. 이어서, 기화기(2)로부터의 혼합 생성물(4)과 분해 유닛(12)의 탄화수소 혼합물(13) 모두는, 회수 유닛(6) 또는 회수 유닛(6)의 원하는 단계나 디바이스에 공급될 수 있고, 혼합 생성물(4)은 회수 유닛(6)으로의 공급물의 일부이다. 일 실시형태에서, 분해 유닛의 탄화수소 혼합물(13)과 혼합 생성물(4)은 회수 유닛(6)의 동일한 단계 또는 디바이스에 공급될 수 있다. 일 실시형태에서, 분해 유닛의 탄화수소 혼합물(13)과 혼합 생성물(4)은 회수 유닛(6)의 상이한 단계들 또는 디바이스들에 공급될 수 있다. 이와 관련하여, 분해 유닛의 탄화수소 혼합물(13)은, 에틸렌, 프로필렌, 및/또는 기타 올레핀과 같은 적어도 올레핀을 포함하는 임의의 탄화수소-함유 혼합물을 의미한다. 또한, 탄화수소 혼합물(13)은 다른 탄화수소 및/또는 다른 성분을 포함할 수 있다.
일 실시형태에서, 기화기(2)는 유동층(fluidized bed) 기화기이다. 임의의 적절한 유동층용 물질(bed material)이 유동층의 유동층용 물질로서 사용될 수 있다. 일 실시형태에서, 유동층용 물질은, 모래, 및/또는 석회, 석회석, 백운석, CaCO3, 또는 CaO와 같은 칼슘-함유 유동층용 물질이다. 일 실시형태에서, 유동층용 물질은 0 w% 내지 100 w%의 모래 및 100 w% 내지 0 w%의 칼슘-함유 유동층용 물질을 함유한다. 일 실시형태에서, 유동층용 물질은 모래로 이루어진다. 일 실시형태에서, 유동층용 물질은 칼슘-함유 유동층용 물질로 이루어진다. 일 실시형태에서, 유동층용 물질은, 60 vol% 미만, 일 실시형태에서 50 vol% 미만, 일 실시형태에서 30 vol% 미만의 칼슘-함유 유동층용 물질을 함유한다. 일 실시형태에서, Al2O3는 유동층용 물질에 첨가된다. 일 실시형태에서, 유동층용 물질은 0.1 w% 내지 100 w%의 Al2O3를 포함할 수 있다.
일 실시형태에서, 처리 온도는, 700℃초과이며, 예를 들어, 기화기(2)에서 700℃와 750℃사이이다. 일 실시형태에서, 처리 온도는, 710℃내지 740℃이고, 일 실시형태에서 720℃내지 730℃이다. 일 실시형태에서, 처리 온도는, 690℃내지 730℃이고, 일 실시형태에서 700℃내지 720℃이다. 일 실시형태에서, 처리 온도는 640℃내지 700℃이다. 일 실시형태에서, 처리 온도는 640℃내지 670℃이다.
일 실시형태에서, 처리는 기화기(2)에서 대기압 하에 수행된다. 일 실시형태에서, 처리는, 4 bar 미만, 일 실시형태에서 3 bar 미만, 일 실시형태에서 2 bar 미만의 압력에서 수행된다.
일 실시형태에서, 기화기(2)에서의 체류 시간은 분해 유닛(12)의 증기 분해기와 같은 분해 디바이스에서의 체류 시간보다 명백히 더 길다. 일 실시형태에서, 기화기(2)에서의 체류 시간은 3초 내지 30초이다. 일 실시형태에서, 기화기(2)에서의 체류 시간은 4초 내지 30초이다. 일 실시형태에서, 기화기(2)에서의 체류 시간은 4초 내지 20초이다. 일 실시형태에서, 기화기(2)에서의 체류 시간은 5초 내지 15초이다. 일 실시형태에서, 기화기(2)에서의 체류 시간은 10초 내지 20초이다.
일 실시형태에서, 혼합 생성물(4)은 기화기(2) 후에 냉각된다. 일 실시형태에서, 혼합 생성물은 400℃내지 500℃의 온도로 냉각된다. 일 실시형태에서, 혼합 생성물(4)은 회수 유닛(6)에 공급되기 전에 냉각된다. 일 실시형태에서, 공정 장치는 혼합 생성물(4)을 냉각하기 위한 적어도 하나의 냉각 디바이스를 포함한다.
일 실시형태에서, 혼합 생성물(4)은 기화기(2) 후에 필터링된다. 일 실시형태에서, 혼합 생성물(4)은 혼합 생성물의 냉각 후에 필터링된다. 일 실시형태에서, 혼합 생성물(4)은 핫 필터에 의해 필터링된다. 대안으로, 혼합 생성물은 임의의 적절한 필터, 사이클론, 또는 기타 필터링 디바이스에 의해 필터링될 수 있다. 일 실시형태에서, 공정 장치는, 적어도 하나의 필터(5), 예를 들어, 혼합 생성물(4)을 필터링하기 위한 핫 필터 또는 기타 적절한 필터 또는 필터링 디바이스를 포함한다. 필터링시, 고체 입자 또는 고체 불순물과 같은 고체 성분이 혼합 생성물(4)로부터 제거될 수 있다. 일 실시형태에서, 염소(Cl) 및/또는 염소 화합물은, 가스 필터링 전에 흡수제를 주입함으로써 또는 칼슘계 유동 첨가제를 사용함으로써 혼합 생성물로부터 제거된다.
일 실시형태에서, 혼합 생성물(4)은, 30 w% 초과, 일 실시형태에서는 25 w% 초과, 일 실시형태에서는 20 w% 초과의, 에틸렌 및 프로필렌과 같은 올레핀을 포함한다. 일 실시형태에서, 혼합 생성물(4)은 25 w% 초과의 에틸렌 및 일 실시형태에서 20 w% 초과의 에틸렌을 포함한다. 일 실시형태에서, 혼합 생성물(4)은, 13 w% 초과 및 일 실시형태에서는 10 w% 초과의, 벤젠과 같은 경질 방향족을 포함한다.
일 실시형태에서, 혼합 생성물(4)은, 탄화수소의 회수 유닛(6)의 원하는 단계, 예를 들어, 제1 단계 또는 디바이스에 또는 이후의 단계 또는 디바이스에 공급될 수 있다. 일 실시형태에서, 혼합 생성물(4)은 회수 유닛(6)으로의 공급물의 일부이다. 일 실시형태에서, 혼합 생성물(4)은 적어도 회수 유닛(6)으로의 공급물의 일부로서 사용된다. 일 실시형태에서, 혼합 생성물은 회수 유닛으로의 공급물에서 그대로 사용될 수 있다. 일 실시형태에서, 혼합 생성물(4)은 회수 유닛(6)에 공급되기 전에 처리될 수 있다. 일 실시형태에서, 혼합 생성물의 바람직하지 않은 성분, 예를 들어, 불순물, 혹은 금속, 예를 들어, 알루미늄, 또는 중질 방향족 탄화수소는 기화기(2) 후에 혼합 생성물(4)로부터 제거될 수 있다. 일 실시형태에서, 방향족 탄화수소, 예를 들어, 중질 방향족 탄화수소 및/또는 경질 방향족 탄화수소는 기화기(2) 후에 혼합 생성물(4)로부터 제거될 수 있다.
회수 유닛(6)을 포함하는 회수 공정은, 탄화수소 분획물 등의 원하는 탄화수소 및/또는 원하는 다른 성분 또는 분획물이 회수 공정의 공급물로부터 분리되는 다단계 공정일 수 있다. 회수 공정은, 공급물이 성분 부분들 또는 분획물들로 분리되는 탄화수소를 분리하기 위한 분리 공정이다. 공정 장치는, 탄화수소 분획물(7, 8, 9)과 같은 탄화수소가 회수되는 적어도 회수 유닛(6)을 포함한다. 회수 유닛(6)은 원하는 탄화수소 및 탄화수소 분획물을 분리하기 위한 하나 초과의 디바이스를 포함한다. 또한, 다른 성분 또는 분획물이 회수 유닛에서 분리될 수 있다. 회수 유닛(6)은, 탄화수소 또는 다른 성분을 분리하기 위한 상이한 디바이스들, 예를 들어, 분리 디바이스, 증류 장치, 냉각 디바이스, 수소화 디바이스, 탈수 디바이스, 또는 기타 적절한 디바이스를 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 회수 유닛(6)은 적어도 분리 디바이스 및/또는 증류 장치를 포함한다. 일 실시형태에서, 회수 유닛(6)은 적어도 증류 장치를 포함한다. 일 실시형태에서, 원하는 탄화수소는 증류에 의해 분리된다. 일 실시형태에서, 회수 유닛(6)은 적어도 분리 디바이스를 포함한다. 일 실시형태에서, 원하는 탄화수소는 하나 이상의 분리 디바이스의 분리 수단에 의해 회수 또는 제거된다. 일 실시형태에서, 일산화탄소 및/또는 수소는 회수 유닛에서 회수된다. 일 실시형태에서, 방향족 탄화수소는 회수 유닛에서 회수된다. 일 실시형태에서, 혼합 생성물의 원하지 않는 성분은 회수 유닛에서 제거될 수 있다. 그 자체로 공지되어 있는 임의의 적절한 분리 디바이스가 공정 장치에서 분리 디바이스로서 사용될 수 있다. 그 자체로 공지되어 있는 임의의 적절한 증류 장치가 공정 장치에서 증류 장치로서 사용될 수 있다. 증류 장치는, 증류, 예를 들어, 분별 증류 또는 추출 증류에 기초할 수 있다.
일 실시형태에서, 회수된 수소는, 공정의 적절한 공정 단계 또는 원하는 정제 공정으로 재순환될 수 있으며, 여기서 수소가 처리에 필요하다. 일 실시형태에서, 회수된 일산화탄소, 방향족 탄화수소, 타르, 및/또는 메탄은, 예를 들어, 기화기를 위한 에너지를 형성하거나 기화기의 온도를 유지하도록, 공정의 적절한 공정 단계로 또는 원하는 개질 공정으로 또는 다시 기화기(2)로 재순환될 수 있다. 일 실시형태에서, 방향족 탄화수소, 예를 들어, 경질 방향족 탄화수소는 최종 생성물로서 또는 화학 물질의 원료로서 사용될 수 있다.
일 실시형태에서, 생성물 분포는 선택된 고분자계 폐기물(1) 및/또는 기화기(2)의 기화 조건에 기초하여 조절될 수 있다. 일 실시형태에서, 에틸렌-풍부 혼합 생성물은 기화기(2)에서 고분자계 폐기물(1)로부터 형성된다.
일 실시형태에서, 혼합 생성물(4)의 원하지 않는 성분, 메탄, 수소, 일산화탄소, 및/또는 방향족 탄화수소, 예를 들어, 중질 방향족 탄화수소는, 기화를 위한 에너지를 생성하는 데 사용되거나 기화기(2)로 다시 재순환된다. 일 실시형태에서, 상기 성분과 물질은 에너지를 생성하기 위한 기화기와 통합된 디바이스에서 처리될 수 있다. 일 실시형태에서, 혼합 생성물(4)의 원하지 않는 성분, 메탄, 수소, 및/또는 일산화탄소는 기화기(2)에 열을 제공하기 위한 에너지 물질로서 사용될 수 있다. 일 실시형태에서, 방향족 탄화수소, 예를 들어, 중질 방향족 탄화수소는, 기화를 위한 에너지를 생성하는 데 사용되며, 기화기(2)에 열을 제공하는 에너지 물질로서 사용할 수 있다.
일 실시형태에서, 공정 장치는, 바람직하지 않은 성분, 일산화탄소 및/또는 방향족 탄화수소를 다시 기화기(2)로 재순환시키기 위한 적어도 하나의 재순환 디바이스를 포함한다. 일 실시형태에서, 재순환 디바이스는, 방향족 탄화수소, 일산화탄소, 및/또는 원하지 않는 성분을 회수 유닛(6)으로부터 기화기(2)로 재순환시키도록 배치된다.
일 실시형태에서, 공정 장치는 고분자계 폐기물(1)을 처리하기 위한 하나 초과의 기화기(2)를 포함한다. 이어서, 상기 기화기(2)로부터의 생성 가스와 같은 혼합 생성물은 회수 유닛(6)에 또는 회수 유닛(6)의 원하는 단계 또는 디바이스에 공급될 수 있다.
일 실시형태에서, 공정 장치는 고분자계 폐기물(1)을 기화기(2) 내로 공급하기 위한 적어도 하나의 제1 공급 유입구를 포함한다. 일 실시형태에서, 공정 장치는 혼합 생성물(4)을 기화기(2) 밖으로 배출하기 위한 적어도 하나의 제1 배출구를 포함한다.
일 실시형태에서, 공정 장치는, 회수 유닛(6)의 적어도 하나의 공급 유입구, 예를 들어, 기화 장치(2)의 혼합 생성물(4) 및/또는 분해 유닛(12)의 탄화수소 혼합물(13)을 회수 유닛(6) 내로 공급하기 위한 제2 공급 유입구를 포함한다. 일 실시형태에서, 공정 장치는, 적어도 하나의 배출구, 예를 들어, 회수 유닛(6)으로부터 하나 이상의 올레핀분획물(7, 8, 9)을 배출하기 위한 제2 배출구를 포함한다.
공급 유입구는, 그 자체로 알려진 임의의 적절한 유입구, 예를 들어, 파이프, 포트 등일 수 있다. 배출구는, 그 자체로 알려진 임의의 적절한 배출구, 예를 들어, 파이프, 배출구 포트 등일 수 있다.
일 실시형태에서, 공정 장치는 고분자계 폐기물(1)을 기화기(2)에 공급하기 위한 적어도 하나의 공급 디바이스를 포함한다. 이와 관련하여, 공급 디바이스는 임의의 공급 디바이스, 장비, 또는 기타 적절한 디바이스일 수 있다. 일 실시형태에서, 공급 디바이스는, 스크류, 컨베이어, 튜브, 파이프, 공압 공급 디바이스, 공압 컨베이어, 압출기, 다른 적절한 공급 디바이스, 및 이들의 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 일 실시형태에서, 고분자계 폐기물은, 메탄, 예를 들어, 이 공정으로부터 재순환된 메탄을 공압 가스로서 사용하는 공압 공급 디바이스 또는 공압 컨베이어에 의해 기화기에 공급된다.
증기(3)는 증기 유입구를 통해 기화기(2)에 공급될 수 있다. 일 실시형태에서, 증기는 기화기의 바닥으로부터 기화기로 공급된다. 일 실시형태에서, 증기 유입구는 기화기의 바닥과 관련되어 배치된다. 일 실시형태에서, 공정 장치는, 분배 수단, 예를 들어, 기화기 내부의 증기를 분배하도록 기화기의 바닥과 관련되어 배치된 그레이트(grate)를 포함한다. 적절한 증기 유입구와 분배 수단을 기화기에 사용할 수 있다.
방법 및 공정 장치는 연속 공정으로서 운영될 수 있다.
일 실시형태에서, 방법 및 공정 장치는, 경질 탄화수소와 같은 탄화수소, 올레핀, 예를 들어, 에틸렌, 프로필렌 및 부타디엔, 경질 방향족 탄화수소, 예를 들어, 벤젠과 톨루엔, 일산화탄소, 수소, 또는 이들의 조합의 생성에 사용되고 활용된다. 탄화수소 분획물과 같은 회수 유닛으로부터의 생성물은, 그대로 사용될 수 있거나, 예를 들어, 중합 공정, 산화 공정, 할로겐화 공정, 알킬화 공정, 또는 기타 화학 공정, 또는 플라스틱 생성에 공급될 수 있다. 예를 들어, 에틸렌과 프로필렌은 플라스틱 제품, 석유화학 제품, 및 화학 물질의 빌딩 블록이다.
본 발명 덕분에, 고분자계 폐기물을 쉽고 효과적으로 처리하고 활용할 수 있다. 올레핀과 같은 원하는 탄화수소를 회수할 수 있다. 또한, 고분자계 폐기물로부터 파생되는 벤젠, 톨루엔, 크실렌 등의 경질 방향족 탄화수소를 회수할 수 있고, 중질 방향족 탄화수소를 재순환시켜 공정에 활용할 수 있다. 이 공정에서는, 폐기물을 업그레이드할 수 있다. 방법 및 공정 장치는, 고분자계 폐기물을 쉽고 에너지 및 비용 효율적으로 처리하는 가능성을 제공한다.
본 발명은 고분자계 폐기물로부터 탄화수소 및 특히 올레핀을 생성하는 산업적으로 적용가능하고 간단하고 저렴한 방식을 제공한다. 본 발명은 폐 폴리올레핀을 다시 올레핀으로 재순환시키는 유연하고 경제적으로 실현가능한 방식을 제공한다. 제조 공정과 관련하여 방법 및 공정 장치를 쉽고 간단하게 실현할 수 있다.
또한, 고분자계 폐기물의 재활용은 본 발명에 의해 개선될 수 있다. 또한, 새로운 원유계 원료의 일부를 고분자계 폐기물로 대체할 수 있다. 또한, 기존의 회수 공정을 적용할 수 있는 경우에 회수 유닛 대한 투자가 필요하지 않다.
실시예
도 1과 도 2는 고분자계 폐기물로부터 탄화수소를 연속적으로 생성하기 위한 방법 및 공정 장치를 제시한다.
도 1의 공정은, 혼합 생성물(4)을 형성하도록 고분자계 폐기물(1)이 640℃내지 750℃, 예를 들어, 720℃내지 730℃인 저온에서 증기(3)로 기화되는 유동층 기화기(2), 증기(3)를 기화기(2)에 공급하기 위한 증기 유입구, 및 혼합 생성물(4)이 기화기(2)로부터 공급되고 적어도 하나의 원하는 탄화수소 분획물(7, 8, 9)이 분리되는 회수 유닛(6)을 포함한다. 처리는 대기압 하에서 기화기(2)에서 수행되고, 체류 시간은 기화기에서 4초 내지 30초, 일 실시형태에서는 5초 내지 15초이다.
증기(3)는 증기 유입구를 통해 적절한 증기 공급 디바이스에 의해 기화기(2)로 공급된다.
혼합 생성물(4)은 적어도 에틸렌, 프로필렌, 및 벤젠 또는 톨루엔과 같은 경질 방향족 탄화수소를 포함하고, 수소 및 일산화탄소를 더 포함할 수 있다. 또한, 혼합 생성물은 다른 탄화수소를 포함할 수 있다. 바람직하게, 혼합 생성물은 에틸렌-풍부 혼합 생성물이다.
일 실시형태에서, 혼합 생성물(4)을 기화기(2) 후에 예를 들어 400℃내지 500℃의 온도로 냉각할 수 있다. 일 실시형태에서, 공정 장치는, 기화기 후에, 예를 들어, 혼합 생성물의 냉각 후에 혼합 생성물(4)을 필터링하고 혼합 생성물로부터 고체 성분을 제거하기 위한 적어도 하나의 필터링 디바이스(5), 예를 들어, 핫 필터를 포함할 수 있다.
혼합 생성물(4)을 탄화수소의 회수 유닛(6)에서 원하는 단계 또는 디바이스에 공급할 수 있다. 혼합 생성물(4)은 회수 유닛(6)으로의 공급물의 일부이다. 회수 유닛(6)에서는, 최소한 원하는 탄화수소 또는 탄화수소 분획물, 예를 들어, 에틸렌(7), 프로필렌(8), 및 방향족 탄화수소(9)를 회수한다. 회수 유닛(6)은, 분리 디바이스, 증류 장치, 냉각 디바이스, 수소화 디바이스, 탈수 디바이스, 또는 기타 적절한 디바이스와 같이 원하는 탄화수소를 분리하기 위한 상이한 디바이스들을 포함한다. 바람직하게, 회수 유닛(6)은 적어도 분리 디바이스 및/또는 증류 장치를 포함한다. 탄화수소 분획물(7, 8, 9)을 회수 유닛(6)에서 분리 및/또는 증류에 의해 분리한다.
또한, 일산화탄소, 수소, 메탄, 방향족 탄화수소(9), 및/또는 원하지 않는 기타 성분을 회수 유닛(6)에서 회수할 수 있다. 회수된 수소는 공정의 적절한 공정 단계 또는 원하는 정제 공정으로 재순환할 수 있으며, 여기서 수소가 처리에 필요하다. 회수된 일산화탄소, 방향족 탄화수소, 메탄, 및/또는 원하지 않는 기타 성분을 공정의 적절한 공정 단계로 재순환할 수 있거나 기화기(2)로 다시 재순환할 수 있다. 상기 성분들을, 기화를 위한 에너지, 온도, 및/또는 증기를 생성하도록 기화기로 다시 재순환할 수 있다. 공정 장치는, 일산화탄소, 메탄, 및/또는 원하지 않는 성분을 회수 유닛(6)으로부터 다시 기화기(2)로 재활용하기 위한 적어도 하나의 재순환 디바이스를 포함할 수 있다. 공정 장치는, 방향족 탄화수소(9), 예를 들어, 중질 방향족 탄화수소(10)를 회수 유닛(6)으로부터 다시 기화기(2)로 재순환시키기 위한 적어도 하나의 재순환 디바이스를 포함할 수 있다. 대안으로, 방향족 탄화수소, 예를 들어, 경질 방향족 탄화수소를 최종 생성물이나 화학 물질의 원료로서 사용할 수 있다.
도 2에 따르면, 기화기(2)는 증기 분해기와 같은 적어도 하나의 분해 디바이스를 포함하는 알려진 분해기 유닛(12)과 병렬로 배치된다. 상기 분해 유닛(12)에서, 탄화수소 혼합물(13)은 화석 원료와 같은 기타 원료(11)로부터 분해에 의해 생성된다. 이어서, 기화기(2)로부터의 혼합 생성물(4)과 분해 유닛(12)으로부터의 탄화수소 혼합물(13) 모두는, 회수 유닛(6)으로 또는 회수 유닛(6)의 원하는 단계나 디바이스로 공급될 수 있고, 혼합 생성물(4)은 회수 유닛(6)으로의 공급물의 일부이다.
실시예 1
공정을 벤치 규모의 버블링유동층 기화기에서 연구하였다.
폴리에틸렌계 폐기물을 공급물로서 사용하였고, 증기를 기화기의 기화제로서 사용하였다. 낮은 기화 온도를 사용하였으며, 기화기에서의 온도는 690℃내지 730℃이었다. 기화기에서 체류 시간은 약 4초 내지 8초이었다. 기화기에서의 기화 동안 생성 가스를 형성하였다. 5개의 테스트 기간을 수행하고 분석하였다.
올레핀 산업에서는, 예를 들어, 에틸렌과 프로필렌을 포함하는 올레핀 혼합물을, 일반적으로 분해 유닛에서 나프타, 에탄, 또는 프로판을 분해 및 처리함으로써 생성하고, 올레핀을 다단계 회수 공정에 의해 올레핀 혼합물로부터 회수한다.
테스트에서는 건조 생성물 가스의 주요 성분이 28.1 vol% 내지 33.3 vol%의 H2, 20.0 vol% 내지 27.7 vol%의 CH4, 21.1 vol% 내지 26.5 vol%의 C2H4이었고 추가 테스트에서는 22.2 vol% 내지 39.3 vol%의 C2H4임을 관찰하였다. 생성물 가스에서는, 놀랍게도, 에틸렌이 풍부하였다. 이러한 결과를, 1.03 vol%의 H2+CO, 15.35 vol%의 CH4, 및 31.02 vol%의 C2H4를 포함하는 기존의 나프타 분해기의 올레핀 혼합물로부터의 결과와 비교하였다. 생성물 가스의 생성물 분포는 나프타 분해기부터의 올레핀 혼합물의 기존의 생성물 분포와 상당히 유사하였다. 또한, 테스트에서는 생성물 가스가 높은 타르 부하를 갖는다는 점을 관찰하였다. 그러나, 필터링 문제는 관찰되지 않았다. 따라서, 적어도 에틸렌과 추가 방향족 탄화수소를 포함하는 생성물 가스의 혼합물, 예를 들어, 타르는 기존의 올레핀 회수 공정 또는 회수 유닛의 하류 공정에 적합한 공급원료이었다. 본 발명에 따른 증기 기화기는, 기존의 나프타 분해기와 병렬로 설치될 수 있어서, 천연 나프타를 재활용된 폴리올레핀으로 부분적으로 대체할 수 있다.
실시예 2
공정을 벤치 규모의 버블링유동층 기화기에서 연구하였다.
기화기에서는, 혼합 생성물을 형성하기 위해 고분자계 공급물을 700℃내지 720℃의 저온에서 증기로 기화하였다.
제1 테스트에서는 폴리에틸렌 물질을 공급물로서 사용하였고, 제2 테스트에서는 기계적 재활용에 적절하지 않은 혼합 플라스틱 물질을 공급물로서 사용하였다. 유동층용 물질은 테스트들에서 모래 또는 모래와 백운석의 혼합물이었다.
제1 테스트에서는, 혼합 생성물이, 에틸렌, 프로필렌, 및 벤젠과 같은 경질 방향족 탄화수소를 포함하였고, 수소, 메탄, 및 기타 탄화수소를 추가로 포함하였다. 또한, 혼합 생성물은 이산화탄소 및 일산화탄소를 포함하였다. PL-9 및 PL-16에서는 모래를 유동층용 물질로서 사용하였고, PL-6에서는 백운석과 모래의 혼합물(백운석:모래는 50:50)을 유동층용 물질로서 사용하였다. PL-6 및 PL-9 기화에서는 온도가 705℃이고 유동화 속도가 0.31m/s이었고, PL-16 기화에서는 온도가 720
Figure pct00001
이고 유동화 속도가 0.5m/s이었다. 건조 생성물 가스로서의 폴리에틸렌 물질 공급물당 생성물 성분의 수율이 표 1에 제시되어 있다.
Figure pct00002
제1 테스트에서는, 높은 올레핀수율이 달성될 수 있음을 관찰하였다. 또한, 생성물 가스는 타르, 즉, 예를 들어 방향족 화합물을 포함하는 응축성 탄화수소 화합물을 포함한다는 점을 관찰하였다. 그러나, 필터링 문제는 관찰되지 않았다. 또한, PL-6으로부터, 유동층용 물질에 백운석을 첨가(백운석:모래는 50:50)함으로써 올레핀수율이 증가하였음을 관찰하였다.
제2 테스트에서는, 혼합 생성물이, 에틸렌, 프로필렌, 및 벤젠과 같은 경질 방향족 탄화수소를 포함하였고, 수소, 메탄, 및 기타 탄화수소를 추가로 포함하였다. 또한, 혼합 생성물은 이산화탄소 및 일산화탄소를 포함하였다. NP-12에서는, 모래를 유동층용 물질로서 사용하였다. NP-12 기화에서는, 온도가 720℃이고 유동화 속도가 0.31m/s이었다. 건조 생성물 기체로서의 폴리에틸렌 물질 공급물당 생성물 성분의 수율은 표 2에 제시되어 있다.
Figure pct00003
제2 테스트에서는, 높은 올레핀수율이 달성될 수 있음을 관찰하였다. 또한, 생성물 가스는 타르, 즉, 예를 들어 방향족 화합물을 포함하는 응축성탄화수소 화합물을 포함한다는 점을 관찰하였다. 그러나, 필터링 문제는 관찰되지 않았다.
이들 실시예에서 사용된 공정의 디바이스와 장비는, 그 자체로 당업계에 공지되어 있으므로, 이러한 점에서 더 이상 상세하게 설명하지 않는다.
방법 및 공정 장치는, 상이한 고분자계 폐기물로부터 탄화수소를 생산하기 위한 상이한 실시형태들에서 적절하다.
본 발명은 전술한 실시예들에만 제한되지 않으며, 대신 청구범위에 의해 정의된 본 발명의 사상의 범위 내에서 많은 변형이 가능하다.

Claims (21)

  1. 고분자계 폐기물로부터 탄화수소를 생성하는 방법으로서,
    혼합 생성물(4)을 형성하도록 기화기(2)에서 상기 고분자계 폐기물(1)을 저온에서 증기(3)로 기화하는 단계로서, 상기 온도는 640℃내지 750℃인, 단계; 및
    적어도 하나의 탄화수소 분획물(7, 8, 9)을 분리하도록 상기 기화기(2)로부터의 상기 혼합 생성물(4)을 탄화수소의 회수 유닛(6)으로 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기화기(2)는 적어도 하나의 분해 유닛(12)과 병렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기화기(2)는 유동층(fluidized bed) 기화기인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기화기(2)에서의 처리 온도는 700℃내지 750℃인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기화기(2)에서의 처리 온도는 700℃내지 720℃인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 유동층 물질(bed material)은 상기 기화기의 유동층에 있는 모래 및/또는 칼슘-함유 유동층 물질인 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고분자계 폐기물은 적어도 폴리올레핀 및 다른 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기화기(2)에서의 체류 시간은 4초 내지 30초인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합 생성물(4)은 상기 기화기(2) 후에 400℃내지 500℃의 온도로 냉각되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합 생성물(4)은 상기 기화기(2) 후에 필터링되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합 생성물(4)은 적어도 에틸렌, 프로필렌, 및 경질 방향족 탄화수소를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방향족 탄화수소는 회수되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합 생성물(4)의 원하지 않는 성분 및/또는 상기 방향족 탄화수소는 기화를 위한 에너지를 생성하는 데 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합 생성물(4)은 상기 회수 유닛(6)으로의 공급물의 일부인 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 고분자계 폐기물로부터 탄화수소를 생성하는 공정 장치로서,
    혼합 생성물(4)을 형성하도록 상기 고분자계 폐기물(1)이 640
    Figure pct00004
    내지 750
    Figure pct00005
    인 저온에서 증기(3)로 기화되는 기화기(2),
    상기 증기(3)를 상기 기화기(2)에 공급하기 위한 증기 유입구, 및
    상기 기화기(2)로부터 상기 혼합 생성물(4)이 공급되고 적어도 하나의 원하는 탄화수소 분획물(7, 8, 9)이 분리되는 회수 유닛(6)을 포함하는 것을 특징으로 하는 공정 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 공정 장치는 상기 기화기(2)와 병렬로 배치된 적어도 하나의 분해 유닛(12)을 포함하는 것을 특징으로 하는 공정 장치.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 기화기(2)는 유동층 기화기인 것을 특징으로 하는 공정 장치.
  18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공정 장치는 상기 혼합 생성물(4)을 필터링하기 위한 적어도 하나의 핫 필터(5)를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정 장치.
  19. 제15항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회수 유닛(6)은 적어도 하나의 분리 디바이스 및/또는 증류 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정 장치.
  20. 제15항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공정 장치는, 상기 혼합 생성물(4)의 원하지 않는 성분을 상기 기화기(2)로 다시 재순환시키기 위한 하나 이상의 재순환 디바이스 및/또는 방향족 탄화수소를 상기 기화기(2)로 다시 재순환시키기 위한 하나 이상의 재순환 디바이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정 장치.
  21. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 방법의 용도로서,
    상기 방법은, 탄화수소, 경질 방향족 탄화수소, 일산화탄소, 수소, 또는 이들의 조합의 생성에 사용되는 것을 특징으로 하는 용도.
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