TW202339850A - 監測實質上塑膠材料的控制參數的方法、關於使用此方法的設備及熱裂解處理 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於指定用於化學回收再利用處理的塑膠材料之處置,該等化學回收再利用處理是針對以其他方式指定用於廢棄之實質上塑膠材料的增值。
詳言之,本發明係關於一種用於熱裂解實質上塑膠材料以至少獲得在25℃下為液體的烴類的處理,該處理包含以下步驟:
a) 饋送至少部分處於熔融狀態之一實質上塑膠材料至一熱裂解反應器;
b) 在線上模式情況下使饋送至一熱裂解反應器之該實質上塑膠材料經受至少一分析量測「Ax」;
c) 藉助於該至少一個分析量測「Ax」來判定該實質上塑膠材料之至少一個「Px」性質的值;
d) 基於此至少一個「Px」性質的該值來安裝該熱裂解處理的至少一個「Ox」參數;
該處理由以下事實來表徵:至少一個分析量測「Ax」提供該實質上塑膠材料之光的反射光譜之量測或由該量測組成。
Description
本發明是相關於指定用於化學回收再利用處理的塑膠材料之處置,該化學回收再利用處理用於以其他方式指定用於廢棄之實質上塑膠材料的增值。
詳言之,本發明係關於一種監測對實質上塑膠材料之控制參數的方法,使用該方法之相關設備及實質上塑膠材料的熱裂解處理。
有利地,本發明可經應用以在分選車間中處置實質上經預處理之塑膠材料,在該分選車間中,一些類型之塑膠材料經識別且分離為個別聚合物。
以此方式,作為單一類型之聚合物可回收的部分可因此經重新使用(經由所謂「機械」或「實體」回收再利用),且僅並不能作為單一聚合物可回收的部分經受熱裂解。在熱裂解之後,產生碳氫化合物產物,該等碳氫化合物產物經受進一步處置,諸如蒸汽裂化,產生可接著經聚合從而形成新塑膠的單體。此情形允許關閉塑膠循環,亦即實現所謂「閉合迴路回收再利用」。
該實質上塑膠材料,特別是分選之後的殘餘物之回收再利用為特別困難的,此是由於自已選擇可作為單一聚合物(例如,聚乙烯及聚對苯二甲酸乙二醇酯)進行回收的材料起,殘餘物變得極大程度上發生變化,且亦包括難以回收的非塑膠材料。
經由教示一種分析自身為非常不均一的該實質上塑膠材料且根據進行之分析之結果執行熱裂解之新穎方式的本文中描述之方法、設備及處理,因此有可能的是有效地關閉塑膠循環(因此亦由「化學」方法回收該殘餘物)。
存在關於塑膠材料熱裂解處理的許多文章及專利申請案,但僅很小數目的文章及專利申請案亦揭示關於經處置之原始材料的量測系統。EP3405297揭示一種用於在矽含量(按重量計小於或大於15%的矽)基礎上分類輪胎的方法及設備。該矽含量基於電阻率,X射線螢光,近紅外線(near infrared,NIR)中的吸收及雷射誘發之電漿光譜學(laser-induced plasma spectroscopy,LIPS)藉由感測器來量測。亦揭示一種用於進行具有高矽含量之輪胎的選擇性熱裂解以便獲得具有高二氧化矽含量之燒焦殘餘物的方法。
WO2012172527揭示一種用於塑膠之連續回收再利用及轉換成液體燃料的方法,該方法包含藉由連續地移除非氣態產物而將塑膠饋送至旋轉儲槽中,此情形促進朝向由角向運動獲得之產品末端的輸送。所描述之一種方法包含亦即包括「雜環原子」之非所要塑膠材料的防止性分離。根據另一方法,該分離藉助於能夠基於NIR光譜識別包括雜環原子之不同塑膠材料的NIR系統來進行,以便在噴射器氣體幫助下分離該等部分。
在已知技術中,NIR光譜由處於透射或透射率模式的光譜儀來分析。
在透射光譜學中,由光譜儀分析的輻射為入射輻射之通過樣本的小部分,亦即,既不被樣本吸收亦不被此樣本反射的小部分。
在透射反射(transflection)光譜學中,由光譜儀分析之輻射為入射輻射的在通過樣本之後由沿著輻射路徑置放於量測空腔中的專用反射螢幕反射超出樣本的小部分;自螢幕反射之輻射在到達光譜儀之前第二次通過樣本。
最終存在是關於在不同於大氣壓的壓力下進行之熱裂解處理的若干專利及科技類文章
EP2348254描述一種在10至15巴下且同時饋送純氧流下進行的「零發射」熱裂解處理。
ES2389799揭示一種在壓力(1至15巴)下預見兩個階段的生產柴油燃料(C13至C40)的處理。第一階段為熱階段,而第二階段為催化階段,且是在氫存在情況下。輸入材料較佳具有聚烯烴起源。輸入材料可含有聚苯乙烯,但較佳地諸如PVC及PET之其他塑膠的含量低於10%。
亦存在揭示在降低之壓力(次大氣壓)下進行之熱裂解的多個發明,諸如WO2013187788、WO0231082及EP2184334。
自已知技術之分析清楚的是,關於接著饋送至熱裂解車間之塑膠材料之性質的量測出於選擇至熱裂解反應器之電源或分類所獲得之產物的唯一目的進行。詳言之,進行之分析並不用於控制熱裂解處理。亦存在在低於或高於大氣壓之壓力下進行的若干熱裂解處理,然而不存在概括性教示,該教示允許吾人決定(establish)有利的是在大氣壓下、次大氣壓(降低之壓力)下抑或過壓下(亦即,在高於大氣壓之壓力下)管理複雜聚合混合物的熱裂解處理。可用之資訊常常極大程度地發生變化,有時為相互矛盾的,且提供完全不同的指示。此外,所識別之文獻皆不提供關於根據饋送之聚合物之品質如何設定諸如熱裂解系統之操作壓力的處理參數的資訊。饋送之材料絕不具有不一致複合物,且在任何狀況下,並不知曉如何管理複合物之改變及對處理且對所獲得之產物的效應。
在單一聚合物之選擇及提取處理之後剩餘的實質上塑膠材料替代地就其本質而言具有極易變的複合物,且由多種類型之塑膠材料以及非塑膠材料構成。
此外,熱裂解處理需要饋送至熱裂解處理的塑膠先前已進行選擇,以便減小很難處置之塑膠(諸如PVC、PET、纖維素、聚苯乙烯)及非塑膠材料的數量,從而替代地偏好聚烯烴(特別是聚乙烯及聚丙烯)。然而,含有於實質上塑膠材料中之聚烯烴的大部分在該選擇處理中通常經分離,且接著因此經回收再利用而不必進行熱裂解。因此,首先在選擇之後熱裂解所有殘餘物部分的處置中存在關注事項,該殘餘物部分除了聚烯烴外亦含有顯著數量的其他塑膠及較小數量的非塑膠材料。
與此等光譜學模式相關聯的另一問題鏈接至如下事實:實質上塑膠材料通常具有可變複合物且又包括非塑膠材料,諸如碳黑及石墨,非塑膠材料甚至在小數量上遮蔽透射輻射,因此使得光譜之讀取為有問題的。此外,實質上塑膠材料可部分經降級,且因此詳言之在存在高數量氧情況下為部分不透明的。最終,聚合物化合物通常為不相容的。因此,因此產生之聚合熔融物通常為不透明且不均一的。
此外,因此實質上塑膠材料之複合物的評估(亦即,對如接收自供應商之顆粒的評估)為不精確的,此是因為實質上塑膠材料並非同質的(每一個別顆粒通常具有不同材料)。此外,分析亦取決於不可控變數,諸如顆粒物質的大小及縱橫比。關於實質上塑膠材料之複合物的評估已處於熔融及混合狀態,儘管評估可解決此等臨界問題,歸因於上文闡述之原因通常難以由此項技術中已知的光譜技術來達成。
最終,將需要一種方法,該方法可至少判定在短時間內對熱裂解處理有最大影響之複合物的特性,使得在實質上塑膠材料至熱裂解反應器之饋送與諸如溫度、壓力或駐留時間的處理之修改之間存在低潛伏時間。實際上,在材料發送至熱裂解反應器之前,通常該材料處於熔融狀態的駐留時間為極短的。
出於上文指示之原因,因此需要識別可克服已知技術之限制的處理及相關設備。
申請人已令人滿意地發現一種藉由使實質上塑膠材料經受特定熱裂解處理來熱裂解實質上塑膠材料以獲得在25℃下處於液相之至少烴類的處理,該實質上塑膠材料甚至具有非恆定複合物,視需要亦包含通常視為非所要的高數量組份。
此處理包括以下步驟:
a) 饋送至少部分處於熔融狀態的一實質上塑膠材料至一熱裂解反應器;
b) 在線上模式下使饋送至一熱裂解反應器之該實質上塑膠材料經受至少一個分析量測「Ax」;
c) 藉助於該至少一個分析量測「Ax」來判定該實質上塑膠材料之至少一個性質「Px」的值;
d) 基於該至少一個性質「Px」的值來設定該熱裂解處理的至少一個參數「Ox」;
該方法由以下事實來表徵:該分析量測「Ax」規定經分析之實質上塑膠材料之光反射光譜的量測或由該量測組成。
在一個實施例中,此處理亦包括又以下步驟:
e) 反覆地重複步驟b)、c)及d)
本發明中揭示之處理的一個第一優勢為處理的處置具有甚至高度可變複合物之實質上塑膠材料而不需要在經饋送之該類型之實質上塑膠材料改變時停止處理的能力。
本發明中揭示之處理的一個其他優勢為,整合於預選擇處理中,處理允許塑膠之回收再利用不定數目次(「關閉循環回收再利用」);即,使得材料可經使用,且接著重新產生若干次而在回收再利用處理期間不失去其性質。
本發明中揭示之處理的一個其他優勢為處理的處置實質上塑膠材料而無諸如污染或阻塞的任何處理問題且具有在25℃下處於液相之高品質之該等烴類的能力,實質上塑膠材料包含乙烯聚合物(聚乙烯及聚丙烯),諸如聚苯乙烯(PS)及其合金的聚乙烯芳香烴聚合物,諸如聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)的非乙烯類聚合物,及諸如纖維素及PET自身的富氧聚合物。
本發明中揭示之處理的一個其他優勢為處理的處置實質上塑膠材料的能力,該實質上塑膠材料亦包含諸如紙及紙板(纖維素)的正常視為非所要的高數量組份,及諸如聚氯乙烯(polyvinyl chloride,PVC)的氯化或溴化化合物及含有鹵化阻燃劑之聚合物。
本發明中揭示之處理的一個其他優勢為處理的處置具有非恆定複合物之實質上塑膠材料而無污染及阻塞發生的能力。
本發明中揭示之處理的一個其他優勢為處理的處置實質上塑膠材料的能力,該實質上塑膠材料由在通常應用至塑膠廢料之選擇處理中尚不可能分離且回收再利用的殘餘物組成。
本發明中揭示之處理的一個其他優勢為處理的如下能力:依據獲得之複合物產生高品質熱裂解油,從而維持在25℃下處於液相的實質高品質之所產生烴類,即使在經處置之實質上塑膠材料具有非恆定複合物時。
本發明中揭示之設備的一個優勢為連續地操作且歷時長時間週期而不需要為了維護及清潔而中斷的能力。
本發明中揭示之設備的另一優勢為,詳言之以此等元件配置於單一積體裝置中的方式使空腔內探針及偵測系統之障礙被最小化。此減小之障礙減小在量測空腔中由實質上塑膠材料遭受之壓力損耗且減小量測空腔中的污染。
本發明中揭示之處理及設備的另一優勢為,量測在線上執行(亦稱為原位)。
實際上,在此項技術中知曉線上量測系統,其中待分析之樣本自主處理流程連續或不連續地獲得。自處理管線至量測儀器的該傳送經由傳送管線發生。取樣訊窗之污染問題保持,此是由於聚合作用混合物在任何狀況下在有問題情況下必須通過量測單元(位於專用於熱裂解處理之管線的外部且經由傳送管線連接至專用於熱裂解處理之管線),該等問題其完全類似於浸沒探針之量測空腔的彼等問題。此外,在許多狀況下,在待分析之實質上塑膠材料之樣本自反應器傳送至量測儀器期間,樣本自身之結構變更可發生,此情形亦可顯著地影響評估之「Px」性質的判定之結果(例如,未混合、降級、氣體發展可發生)。最終,線上量測遭受量測上常常難以量化的延遲,此是由於在給定時刻自主流獲取的材料將僅在等於該傳送管線中材料之駐留時間的時間之後由置放於該傳送管線下游之量測儀器來量測。
在本發明中提議之量測性質「Px」的方法確切而言為線上的,亦即,量測在饋送至熱裂解反應器之實質上塑膠材料的同一流上或在不需要用於待分析之材料的傳送管線情況下進行。
本發明中所揭示之處理的另一優勢為,分析量測「Ax」與處理參數「Ox」之設定之間的潛伏時間不大於一小時,較佳地不大於10分鐘,甚至更佳地介於1與60秒之間。
考慮因此分析之實質上塑膠材料進入反應器必要的時間通常大於1秒,從而確保該潛伏時間暗示「Ox」處理參數之調整可在必要時在並未超出10分鐘,較佳在59秒內的時間進行。
上文說明之關於先前技術的關鍵問題迄今為止已經防止光譜學在熱裂解車間中監測實質上塑膠材料之性質中之潛能的恰當開發,詳言之,在熱裂解車間處,資訊在低潛伏時間情況下或在討論中之性質之判定與熱裂解中相同樣本之處理之間的減小之時間延遲情況下自此等性質獲得。
因此,在當前實踐中,熱裂解在恆定條件下正常地進行,且因此獨立於饋送之實質上塑膠材料執行。有時候,經驗上,已依據實質上塑膠材料之類型獲得關於最佳處理條件的經驗。舉例而言,假定,來自給定供應商之實質上塑膠材料具有恆定複合物,使得隨著時間過去,針對實質上塑膠材料最佳化的經驗處理配方(溫度、駐留時間、流動速率等)起源於。特定供應商。
或許亦將有可能的是進行離線量測,從而現場獲得實質上塑膠材料的樣本且在實驗室中藉由光譜儀分析樣本,且根據累積之經驗體驗來調適該處理配方。然而,此方法明顯為不利的,此是由於不可避免地,由實驗室進行之分析的處理時間不可過短,且因此利用在實驗室中獲得之資訊,有必要的是熱裂解處理可僅在獲得資訊之後開始。
此外,在此模式中,經分析之實質上塑膠材料可僅為樣本。考慮待處理之實質上塑膠材料之複合物的高可變性及不可控制性,樣本分析可能並未表示實際上經處理的實質上塑膠材料;因此所判定之處理條件可為有錯誤的。
本發明之目標因此為詳言之藉由提供實質上塑膠材料之熱裂解的處理來克服或至少減輕上文強調之先前技術的缺陷,該處理允許維持由該熱裂解處理獲得的在25℃下處於液相的該等烴類之高度量化恆定性,即使在饋送至熱裂解處理之實質上塑膠材料並非恆定的時。
若考慮由可由探針收集之聚合混合物反射(且隨後由偵測系統處理)的輻射之強度明顯低於透射率或透射反射率上藉由量測探針收集的輻射強度,則利用根據本發明之反射光譜學的本文中獲得並揭示之優勢將被視為甚至更令人滿意的。
本發明亦係關於一種混合物及使用該混合物以饋送至裂化車間,該混合物關於混合物之總重量包括按重量計大於90%之數量的烴類及數量上按重量計在0.01%與0.25%之間的氧雜環戊烷。
本發明之另一態樣為用於判定該實質上塑膠材料之該至少一個性質「Px」之值的方法,該方法可用以進行以上熱裂解處理的步驟b)及c)。
用於判定該實質上塑膠材料之至少一個性質「Px」之值的該方法包含以下步驟:
(i) 針對該至少一個性質「Px」中之每一者計算一校準曲線「Cx」,對於具有該性質「Px」之一已知值的樣本材料,該校準曲線「Cx」使該反射光譜與該性質「Px」相關;
(ii) 進行該實質上塑膠材料之該反射光譜的至少一個量測;
(iii) 自該至少一個校準曲線「Cx」開始來判定該實質上塑膠材料之至少一個性質「Px」的值;
且其特性在於,該實質上塑膠材料在反射光譜量測條件下關於該實質上塑膠材料之該總重量按重量計至少60%,較佳地按重量計介於70%與99%之間,甚至更佳地按重量計80%與94%之間的材料處於該熔融狀態。
較佳地,該實質上塑膠材料在量測條件下具有包含在140與300℃之間,甚至更佳地在160與260℃之間的溫度。
較佳地,該實質上塑膠材料在量測條件下具有不小於2巴,甚至更佳地介於3與300巴之間的壓力。
根據稱作「多重相關」之較佳方法,存在至少兩個、至少一個「Px」性質。根據稱作「雙重相關」之甚至更佳形態,存在兩個,至少一個「Px」性質。
根據雙重相關情況下的此較佳形態,較佳地,「Px」性質為關於碳氫指數(H/C指數)及碳指數。
較佳地,在步驟ii)中獲取之該實質上塑膠材料的反射光譜包括在4000與12000 cm
-1之間的範圍內,甚至更佳地反射光譜包括在4500與1000 cm
-1的範圍內,且甚至更佳地反射光譜包括在5000與9000 cm
-1之間的範圍內。
較佳地,「Cx」校準曲線藉由應用多變數迴歸方法來獲得。較佳地,該多變數迴歸方法是多元線性迴歸(multiple linear regression,MLR)、主成分分析迴歸(regression by principal component analysis,PCR)或部分最小平方迴歸(regression by partial least square,PLS)。甚至更佳地,多變數迴歸為部分最小平方(PLS)迴歸。
最終,本發明亦係關於用於判定至少部分處於熔融狀態之實質上塑膠材料之至少一個性質「Px」之值的設備,該設備包括:
1) 一空腔,該實質上塑膠材料在該空腔中可滑動,具備針對至少部分處於熔融狀態之該實質上塑膠材料的一入口及一出口;
2) 能夠在該空腔中發射光的至少一個探針;
3) 至少一個偵測系統,其與該探針光學耦接從而偵測經反射光且判定分析量測「Ax」;
4) 連接至該空腔的用於讀取溫度測之至少一個感測器;
5) 視需要一系統,該系統用於藉由使該至少一個分析量測「Ax」與自具有性質「Px」之一已知值之樣本材料獲得之校準曲線「Cx」相關來判定至少部分與熔融狀態之該實質上塑膠材料的該至少一個性質「Px」,
其中該空腔能夠耐受至少50巴,較佳自80巴至300巴的一壓力。
較佳地,用於讀取溫度之該感測器經定位,使得溫度讀取區域與量測反射光譜之區域之間的最小距離不大於100 mm,較佳不大於30 mm,甚至更佳地不大於3 mm。
溫度讀取區為溫度感測器偵測溫度所在的表面。對於諸如熱電偶及熱敏電阻的裝置(其中偵測到之溫度是裝置之末端處的溫度),該區域因此對應於該極端的表面。
較佳地,與該探針光學耦接的該至少一個偵測系統經定位,使得該探針之發射區域與該發射之偵測區之間的最小距離不大於50 mm,較佳不大於15 mm,又更佳地不大於3 mm。
較佳地,該探針能夠發射具有波數之光,該波數包括至少在4000與12000 cm
-1之間的範圍內,甚至更佳地波數包括在4500與1000 cm
-1的範圍內,且甚至更佳地波數包括在5000與9000 cm
-1之間的範圍內。
較佳地,「Px」性質為「碳氫」指數(H/C指數)及/或碳指數。
根據一種較佳方法,該空腔由擠出機之料筒(cylinder)的至少一個部分構成。根據此較佳方法,擠出機可用以熔融材料之至少部分,且視需要移除氣態化合物。
根據一種替代性方法,該空腔是輸送螺桿的連接至熱裂解反應器中實質上塑膠材料之入口的空腔。
根據一種替代性方法,該空腔是連接至熱裂解反應器中實質上塑膠材料之入口的管道之一區段。
根據一種替代性方法,該空腔是在熱裂解反應器的入口內。
根據一種替代性方法,用於判定一實質上塑膠材料之至少一個性質「Px」之值的該設備亦包含由在該偵測系統之波數範圍中實質透明材料製成的訊窗,該偵測系統光學耦接至該探針,插入於該探針與該空腔之間及/或該光學耦接之偵測系統與該空腔之間。
在此替代性形態中,訊窗允許待分析之實質上塑膠材料與探針及/或偵測系統之間的實體分離。因此,以此方式有可能的是使用探針及/或偵測系統,探針及/或偵測系統並非有必要必須保證對熔融或半熔融狀態下實質上塑膠材料之通常高的壓力及溫度的密封及耐受。
定義
在本發明之描述內容中,除非以其他方式指定,否則範圍之值(例如,壓力、溫度、數量等的範圍)被視為包括極值。
在本發明之以下描述內容中,除非以其他方式指定,否則百分數應理解為按重量計(亦即,以質量計)。符號「%」意謂始終按重量(質量)計的百分數。
在本發明之描述內容中,術語「包含」作為特定限制狀況亦包括其含義為「由……組成」或「存在於」。
在本發明之描述內容中,術語「基本上由……組成」或「基本上存在於」意謂,複合物或配方(A)有必要包括所列出之成分,且(B)對於未列出之成分為開放的,該等未列出之成分並不實質上影響複合物的基本及新的性質。
在本發明之描述內容中,若材料並未處於固體狀態,且具有在10分鐘內高於2克的在10 kg之重量下且在給定溫度下根據ISO 1133-1:2011量測的熔融流動速率(melt flow rate,MFR),則材料在該溫度下處於「熔融狀態」。
在本發明之描述內容中,「熔融狀態」因此亦包括液體狀態。
在本發明之描述內容中,術語「可熔融物質」意謂,有可能將該物質帶至條件下,藉此該物質在低於300℃的溫度下處於熔融狀態。舉例而言,可熔融物質為在室溫下已是液體的物質,諸如水;或在室溫下是固態的物質,例如大部分熱塑性聚合物。舉例而言,諸如碳黑、焦炭、石墨的無機鹽及無機碳化合物或者諸如聚醚醚酮(polyether ether ketone,PEEK)之聚合物並非可熔融物質。
在本發明之描述內容中,藉由「至少部分處於熔融狀態」之實質上塑膠材料意謂,關於實質上塑膠材料之總重量按重量計至少60%,較佳地按重量計介於70%與99%之間,甚至更佳地按重量計80%與94%之間的材料處於熔融狀態。
在本發明之描述內容中,由「樣本光譜」意謂在樣本材料上獲得的光譜。
在本發明之描述內容中,除非以其他方式指定,否則為了將某參數(例如,壓力)維持於所指示範圍內,意謂一個人員主動地操作,使得此參數例如藉由檢查確認所量測之值屬所指示之範圍內及/或參數的藉助於其中此參數之值設定於所指示範圍內的回饋調節系統的調節是在範圍內。較佳地,保持某參數(例如,壓力)於設定值或所指示範圍內指示,此參數在回饋控制系統內設置為所指示範圍內的值,以便使參數處於設定值或是在所指示範圍內。在本發明之描述內容中,除非以其他方式指定,由在25℃下處於液相的烴類,吾人意謂在25℃下且在大氣壓力下處於液相的烴類混合物。
在本發明之描述內容中,由熱裂解油意謂在25℃下且在大氣壓力下處於液態的熱裂解產物。
在本發明之描述內容中,由「熱裂解蒸汽」,吾人意謂在熱裂解處理期間產生、在熱裂解反應器中處於氣態狀態,亦即在熱裂解之溫度、壓力及複合物下條件處於氣態狀態的產物。
在本發明之描述內容中,由「熱裂解殘餘物」意謂,在熱裂解反應器中處於液體、固體或液體狀態且固體,即在熱裂解之溫度、壓力及複合物條件下處於液體及/或固態的產物。
在本發明之描述內容中,除非以其他方式指定,否則對於參數之最大等於某值X的值,意謂參數等於X或小於X;且參數之對於最小等於某值X的值,意謂參數等於X或大於X。
在本發明之描述內容中,除非以其他方式指定,否則由產物之生產中的產率意謂該產物關於製造之產物之總量的按重量計之百分數。
除非以其他方式指定,否則在此文獻中,「份數」及「多個份數」分別意謂按重量計的份數及按重量計的多個份數。重量意謂質量,亦即SI單位中的kg。
本發明主要係關於用於熱裂解實質上塑膠材料以獲得在25℃下處於液相的至少烴類的處理,該處理包含以下步驟:
a) 饋送至少部分處於熔融狀態的一實質上塑膠材料至一熱裂解反應器;
b) 在線上模式情況下使饋送至一熱裂解反應器之該實質上塑膠材料經受至少一個分析量測「Ax」;
c) 藉助於該至少一個分析量測「Ax」來判定該實質上塑膠材料之至少一個性質「Px」的值;
d) 基於該至少一個「Px」性質之值來設定該熱裂解處理的至少一個「Ox」參數;該處理由以下事實來表徵:該分析量測「Ax」規定或存在於實質上塑膠材料之光之反射光譜的量測。
根據本發明,實質上塑膠材料之樣本藉助於合適光源藉由光來輻照,且經受該光源之該實質上塑膠材料的反射光譜接著藉助於稱作光譜儀的儀器來獲取。
較佳地,該光譜儀為分光光度計,即,該光譜儀裝備有用於光強度之定量量測的系統。
不存在關於光譜儀之類型的特定限制。舉例而言,可使用具有稜鏡或光柵單色儀的光譜儀或稱為FTIR之傅里葉變換光譜儀。
單色光譜儀可有利地包含一系列光電二極體(「光電二極體陣列」或PDA,以其他方式亦稱為「二極體陣列」)。該等光譜儀亦由術語「DAS」 (
二極體陣列光譜儀)或PDAS (
光電二極體陣列光譜儀)知曉。替代地,亦可使用感測器及對應CCD (
電荷耦合裝置)光譜儀。
待量測之實質上塑膠材料的樣本由廣譜光,即包括所有頻率的光輻照,該等所有頻率包括於正量測之波數之範圍內。
該光譜較佳是在可見光中,亦即在12000與25000 cm
-1之間;在近紅外線(near infrared ,NIR)中,亦即4000與12000 cm
-1之間;及/或在中間紅外線(medium infrared,MIR)中,亦即400與4000
cm-1之間。更佳地,該光譜是在4000與12000 cm
-1之間,甚至更佳地光譜是在4500與10000 cm
-1的範圍內,且甚至更佳地光譜是在5000與9000 cm
-1之間的範圍內。
由實質上塑膠材料樣本反射之光由與發射該光源之該探針光學耦接的偵測系統來收集。
由與發射該光源之該探針光學耦接的系統,意謂偵測系統以一方式定位,以便能夠接收由該源發射且由樣本反射的光。
舉例而言,該探針及該偵測系統可由在單一積體裝置中接合之光學纖維構成,如第2圖中所繪示。
參看第2圖,報告以下各者是可見的實施例:
- 積體可抽取裝置(13);
- 裝置(13)的主體(14);
- 訊窗(15);
- 構成探針的光學纖維(21),該探針能夠發射光、中心地配置且連接至光源(1)(第2圖中未繪示,而是僅繪示於第1圖中);
- 構成偵測系統之光學纖維(22),該偵測系統與該探針(21)光學耦接,周邊但緊接於能夠發射光的探針(21)配置且連接至光譜分析器(2)(並未繪示於第2圖中而是僅繪示於第1圖中);
- 熱電偶(23),其周邊但緊接於能夠發射光的探針(21)置放且連接至溫度讀取器(3)(並未繪示於第2圖中而是僅繪示於第1圖中)。
由於探針及偵測系統之纖維靠近且經對準,且實質上塑膠材料與訊窗接觸,因此確保發射之光照射該實質上塑膠材料且經反射光到達該偵測系統。
根據本發明之替代性形態,能夠發射光之探針的光學纖維相對於與該探針光學耦接之偵測系統的光學纖維定位於外部。仍參看第2圖,此情形意謂,在此模式中,光學纖維(22)為能夠發射光之探針的彼等光學纖維,而光學纖維(21)為與該探針光學耦接之偵測系統探針的彼等光學纖維。
取樣訊窗(15)由對於經分析光譜之波數範圍中的光輻射實質透明之材料製成。舉例而言,取樣訊窗可由石英、藍寶石、溴化鉀或硒化鋅製成。第1圖確切而言圖示實質上塑膠材料流動所在的空腔,該空腔包括積體裝置,該積體裝置包括能夠發射光之探針、與該探針光學耦接之偵測系統及用於偵測由該光照射之實質上塑膠材料之溫度的熱電偶,以下各者在第1圖中可見:
- 中空主體(17),該實質上塑膠材料在該中空主體(17)內部滑動;
- 該實質上塑膠材料的入口(11)及出口(12),其中實質上塑膠材料之滑動方向的指示是藉助於箭頭;
- 積體可抽取式裝置(13),其包括:
○ 藉由螺桿連接牢固地連接至該中空主體(17)的主體(14);
○ 訊窗(15),其由在光譜之波數範圍內實質上透明之材料製成;
○ 其中光學纖維經配置用於發射光且偵測光的中心空腔(16)及讀取經照射之實質上塑膠材料之溫度的熱電偶;
- 該積體可提取裝置(13)與光源(1)、光譜分析器(2)及溫度讀取器(3)的連接。
若使用因此包含用於光發射之該探針及該光學耦接之偵測系統兩者的積體裝置,則對於待實質上垂直於實質上塑膠材料之運動方向定位的該裝置為有利的,即,使得發射且接收之光學纖維實質上垂直於該運動方向(如第1圖中所繪示)。
再者,在使用積體裝置的狀況下,有利的是,該裝置突出至該空腔中,在該空腔中,實質上塑膠材料流動不大於3 cm,較佳不大於1 cm,甚至更佳不大於0.5 cm
然而,並不排除的是,該積體裝置在其他組態中又可插入至該空腔(17)中。舉例而言,該積體裝置可並未垂直於流動方向地插入,而是在實質上塑膠材料之流動方向上傾斜。
有利地,用於量測實質上塑膠材料之至少一個「Px」性質的設備可連續地且歷時長時段地使用。因此,本發明之較佳方法為實質上塑膠材料的連續或半間歇(半連續)熱裂解處理。
為了應用根據本發明之方法至實質上塑膠材料的熱裂解控制,有必要的是具有至少一個校準曲線「Cx」,其能夠使饋送至熱裂解反應器之實質上塑膠材料的反射光譜與該實質上塑膠材料之至少一個參數「Px」的值相關。
較佳地,該實質上塑膠材料之該至少一個性質「Px」為氫/碳比率(亦即,H/C指數、「H/C指數」)及/或碳指數(「C.I.」或「碳指數」)。
碳指數及氫/碳比率(H/C指數)根據以下公式來計算:
其中總和對構成實質上塑膠材料之每一材料進行,且其中「重原子」意謂材料中指示之原子的總質量(或「全部」的所有原子的質量,即材料的重量)。若實質上塑膠材料中每一材料的數量並不知曉,則明顯的是,在任一狀況下有可能的是藉由整體上知曉實質上塑膠材料之氫及碳原子的重量來計算該等比率。實際上簡單的是繪示兩個以上計算公式等效於以下兩個等式:
其中原子之該等重量為於該實質上塑膠材料中指示,亦即,整體上進行考慮的原子之重量。
校準曲線可藉由對於此項技術中之專家知曉的方法來準備。校準曲線可由單變數迴歸方法來獲得。較佳地,校準曲線可由多變數迴歸方法來獲得。
為了獲得校準曲線,例如有可能的是製備複數種實質上塑膠材料(下文中被稱為「樣本材料」),實質上塑膠材料中之每一者經受能夠判定該至少一「Px」性質之值的至少一個主要分析。
因此,根據本發明之實質上塑膠材料之熱裂解之處理的實施例,該實質上塑膠材料之至少一個性質「Px」的值之該判定藉助於該分析量測「Ax」與藉由獲取具有該至少一個性質「Px」之一已知值的塑膠材料之複數個模型吸收率獲得的該分析量測值之間的相關來進行。
舉例而言,若「Px」性質為H/C指數(「H/C比率」)及碳指數(C.I.或「碳指數」),則足夠的是以分析方式判定存在於實質上塑膠材料中之元素的總數量。H/C指數將因此易於自氫之數量關於碳之數量的比率來計算,而碳指數易於自碳之數量關於總重量的比率來計算。
出於此目的,例如,有可能的是使用元素分析器,該元素分析器提供樣本之完全燃燒,繼之以由氣相色譜分析法、熱傳導率、紅外線光譜儀或此等技術的組合對所產生氣體進行的分析。
一般而言,用以製備「Cx」校準曲線之樣本光譜的數目愈大,則關聯「Px」參數之判定愈準確。
根據本發明,用於定義校準曲線之樣本材料的數目等於至少5,更佳地等於至少10。在特別較佳實施例中,樣本材料之數目介於10與50之間。
有利地,該等樣本材料可藉由製造具有已知性質「Px」之實質上塑膠材料的混合物來製備。
舉例而言,該等樣本材料可為聚合物之摻和物,該等聚合物按各種比率包含聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯及纖維素。舉例而言,該等聚合物的H/C指數之值及碳指數值為已知的,或在任何狀況下易於藉由前述技術來判定。因此,有可能的是根據給定公式來計算又關於混合物的該H/C指數及碳指數。
替代地,該等樣本材料可為自塑膠材料之回收再利用獲得的實質上塑膠材料之不同樣本。有利地,可取的是獲得不同起源及/或不同製造商的實質上塑膠材料。
根據本發明,特別較佳的是製造樣本材料,該操作自獲得自塑膠材料之回收再利用之實質上塑膠材料開始並添加所量測數量之其他聚合物及/或非聚合物質,已知曉樣本材料的諸如H/C指數或碳指數之值的性質「Px」。
有利地,此等聚合物可為已提及之彼等聚合物,亦即聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯及纖維素;而該等非聚合物質可例如為木材、碳黑、石墨、碳酸鈣、滑石粉。
含有可熔融物質之按重量計至少50%的樣本材料之光譜可藉由量測在將相同材料進入至少部分處於熔融狀態之後反射中光至吸收來獲得。
此外,量測條件下的溫度較佳介於140與300℃之間,甚至更佳地介於160與260℃之間,且量測條件下之壓力較佳不小於2巴,甚至更佳地介於3與300巴之間。
實際上已觀測到,此等溫度及壓力條件促進獲得高度可重複性光譜。舉例而言,在低壓力條件下,例如次大氣壓條件下,處於氣體狀態之材料的存在被觀測到。此情形可導致虛假光譜,尤其在氣體在量測區中發展(例如,歸因於由壓力降引起的壓力降低)情況下。
為了獲得進行校準曲線所在之光譜,較佳的是此等樣本材料經處理,使得光譜由同一設備讀取,該設備接著用於本發明之處理中且類似處理條件下。
較佳地,亦有利的是針對每一樣本材料提供一個以上樣本光譜。甚至更佳地,有利的是按樣本材料且在不同處理條件下獲得若干樣本光譜。詳言之,較佳的是關於樣本材料在不同溫度、壓力及流動速率下獲得同一樣本材料的多個樣本光譜。
實際上,光譜可根據該等變數(
溫度、流動速率、壓力)且詳言之根據溫度顯著地發生變化。影響所獲得之光譜的此等變數下文中將被稱作「輔助變數」。
若並未考慮在內,則此等輔助變數之變化可因此影響自此等光譜獲得之校準曲線的品質。
然而,申請人已發現,若該等輔助變數隱含或顯式地考慮在內,則有可能獲得優秀校準曲線,如下文所描述。
不存在關於可使用之光譜儀的特定限制。較佳地,該光譜儀為分光光度計。甚至更佳地,該分光光度計為傅里葉變換(Fourier transform,FTIR)或二極體系列或分散分光光度計。
在所有狀況下,光譜通常以數位形式獲得。詳言之,通常獲得之數位光譜包括亦稱作通道的離散數目個波數之光譜的值。有利地,在二極體系列分光光度計的狀況下該等通道可對應於個別二極體。
有利地,由經分析之樣本反射且由偵測系統收集的光輻射可以反射率光譜(R)或較佳吸收率(A)的形式依據入射輻射之波數d (通常表達為cm
-1)或依據波長(通常以nm表達)根據對於此項技術中之專家已知的技術經處理。吸收率(A)基於關是式A = log (1/R)自反射率(R)之所量測值開始來計算,其中「log」為自然對數。
一旦獲取到,校準及量測光譜便可藉由此項技術中已知之方法來預處理以校正例如歸因於基線之移位的任何光譜失真。
為了判定給定校準曲線「Cx」,校準光譜及性質「Px」之值(如上文所解釋對於樣本材料已判定或以其他方式已知曉)藉由單一變數線性迴歸及/或多變數迴歸的已知統計-算術方法或通常藉由應用機器學習(Machine Learning,ML)模型,諸如中性網路(ANN,
人造中性網路)、通用演算法(GA,通用演算法)、模糊邏輯、
粒子群最佳化(
particle swarm optimisation,PSO)及其組合來分析。
較佳地,多變數線性迴歸方法選自:多元線性迴歸(multiple linear regression,MLR)方法、部分最小平方(partial least square,PLS)方法、主成分迴歸(principal component regression,PCR)方法及其組合。
根據一個形態,自應用前述多變數迴歸方法所得之校準曲線可為自此等迴歸方法導出之吸收率或其他數量的線性組合。
因此,根據此形態,對於每一樣本光譜,下文中被稱作「線性迴歸等式」的以下等式可撰寫為:
其中:
- 「M」為經評估之樣本光譜的數目;
- 「j」 為樣本光譜之代表性指數
「j」對特定樣本材料「k」執行(如所提及,較佳地更多樣本光譜針對每一樣本材料進行評估);
-
為用於樣本光譜「j」之量測中的樣本材料「k」之參數Px的值
- 「i」為通道數
- 「N」為通道數目,即,構成光譜之離散波數的數目
-
為對光譜「j」量測之通道「i」的吸收率(對應於波長𝜆𝑖下的吸收率),或自吸收率導出的其他數量
-
是待找尋之Cx校準曲線的係數,其中i是在自0至N之範圍內。
吾人因此在N+1個未知數(
個係數)中具有M個等式(每一待評估之樣本光譜一個等式)。
若樣本光譜之數目M大於N+1,且若不存在線性相依樣本光譜(亦即,兩個或兩個以上其他光譜的一個線性組合),則數學上有可能的是使獲得
個係數之值的M個等式之體系迴歸。此是多元線性迴歸(MLR)方法。
然而,較佳的是減小未知數的數目N+1,此是因為許多未知數實際上並非線性獨立的。舉例而言,是關於乙烯中碳原子之雙鍵之吸收的信號具有不同上部諧波(「過度載頻調」),因此此雙重鍵的存在增大關於不同通道的吸收率信號。
因此,根據本發明之一個較佳形態,未知數之數目藉由使用多變數分析方法來減小。
根據一種第一方法,是關於樣本光譜之吸收率的資料經受主成分之分析(PCA)。較佳地,自5至15個主成分,仍更佳地自8至11個主成分被提取。
模型接著藉由上文界定之線性迴歸等式來獲得,其中然而「
A
ji 」表示主成分「i」相對於樣本光譜「j」的值(「評分」)。應用PCA之此方式被稱作主成分迴歸(principal component regression,PCR)。
根據本發明之另一更佳形態,是關於樣本光譜之吸收率的資料及參數
的彼等經受部分最小平方迴歸(「部分最小平方」或「PLS」)。
在迴歸中使用參數
之資訊使得有可能判定能夠最大地描述迴歸參數
之可變性的主成分。
關於PCR,以此方式,較佳地5至15個主成分,甚至更佳地8至11個主成分被提取。
模型接著藉由上文界定之線性迴歸等式來獲得,其中然而「
A
ji 」表示主成分「i」相對於樣本光譜「j」的值(「評分」),此時間由PLS獲得。
如先前所指示,申請人已驗證,輔助變數對迴歸係數之計算的結果具有顯著效應。
第6圖報告在不同溫度下在同一樣本材料上獲得的不同光譜。明顯地存在顯著溫度效應。舉例而言,儘管光譜之複合物並非易於可判讀的,但可注意到,吸收率之最小值與最大值之間的距離傾向於隨著溫度增大而減小。不管對光譜之此相對效應,申請人已發現,若多個樣本光譜針對每一樣本材料進行,藉由使該等變數發生變化以便覆蓋可在吸收率光譜之量測時在本發明之熱裂解處理中被發現的間隔,則諸如上文描述之PCR及/或PLS的多變數迴歸方法能夠隱含地移除溫度的效應。換言之,如上文描述之關於小數目主成分的迴歸能夠選擇若干通道之吸收率的組合,該組合使關於參數𝑃𝑥
𝑗之回應最大化,此操作因此限制溫度的效應,溫度效應確切而言顯現為殘餘雜訊。此是減小上文提及之溫度之效應的隱含模式。
替代地,根據稱作顯式形態的甚至更佳之形態,有可能的是顯式地考慮輔助變數。
根據此形態,線性迴歸等式變得:
其中符號對應於在先前線性迴歸等式中描述的符號,除了是樣本光譜「j」之吸收率量測期間之輔助變數的
VA
j 及是在顯式模型中使用之輔助變數之數目的
NVA外。較佳地,該輔助變數為樣本材料之速度(計算為中空導管之體積流動速率與截面的比率),及/或樣本材料之溫度,甚至更佳地其是樣本材料之溫度。
模型因此要求額外未知數
NVA。如同較早揭示之隱含形態,較佳的是對主成分(PCR)應用迴歸分析,且更佳的是部分最小平方迴歸(PLS)。
較佳地,根據顯式及隱含形態兩者,藉由使至少一個輔助變數發生變化應用於同一樣本材料上的處理條件之數目是至少8,較佳介於12與100之間。
有利的是在相同處理條件下(亦即,在輔助變數,例如溫度及流動速率實質上恆定的情況下)產生一個以上樣本光譜。
較佳地,根據顯式及隱含形態兩者,在相同處理條件下進行之樣本光譜的數目為至少4,較佳8至20。
自多變數迴歸分析(例如,MLR、PCR或PLS)獲得之「Cx」校準曲線隨後使用一系列光譜來驗證,該系列光譜以與用以判定「Cx」之樣本光譜相同的方式製備,亦即對具有藉由如先前所圖示之主要分析已知或可判定之性質「Px」的實質上塑膠材料進行。
令人滿意的,所謂「旋轉」模式已發現,其允許獲得在預測「Px」控制參數,詳言之碳指數及H/C指數中特別有效的校準曲線。
根據此方法:
A) 樣本光譜經劃分,使得光譜之1至40%(按數目計),較佳10%至30%用於驗證,且剩餘部分用於校準;
B) 對經選擇用於校準的光譜執行多變數迴歸,較佳PLS或PCR,從而對經選擇用於驗證的光譜進行驗證、計算「Px」性質的平均二次誤差;
C) 樣本光譜經再次細分,使得光譜之1%至40% (按數目計),較佳8%至25%用於驗證,且剩餘樣本光譜用於校準,從而在先前尚未選擇用於驗證的彼等樣本光譜之間選擇驗證光譜;
D) 多變數迴歸對新選擇用於驗證之光譜進行重複,且對用於新選擇驗證之光譜進行驗證;
E) 計算新加載矩陣,其中矩陣之每一元素對應於在步驟B)及D)中獲得之單一負載矩陣之對應元素的平均值。
一旦經驗證,則校準曲線可藉由將校準曲線應用於線上獲取的光譜而用以計算控制參數「Px」之值,諸如H/C指數或碳指數。若使用多變數迴歸方法,則有可能的是自吸收率之離散值來計算在「Cx」校準曲線之判定期間先前識別(即,使用相同加載矩陣)之PCA及/或PLS的相同主成分的值(得分)。
在生產階段(亦即,在根據本發明之熱裂解處理中),光譜分析器可有利地連接至控制系統,諸如電腦、計算伺服器、分散式控制系統(distributed control system,DCS)、可程式化邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)或「場可程式化閘陣列」(field programmable gate array,FPGA)。
光譜分析器能夠在極短時間內,通常小於1分鐘內執行光譜量測。藉助於該至少一個計算曲線Cx計算該至少一個參數Px亦為極快的,通常由相對小數目(對於電子電腦)的代數運算組成。控制系統亦可為極其快速的。因此,整個序列之操作(自「Ax」分析至「Ox」處理參數之計算)可在極短時間中,小於1分鐘或甚至幾秒內進行。
根據本發明,較佳的是以如下高頻率重複光譜獲取:較佳每小時至少10次,較佳每小時至少30次,甚至更佳地每小時60至3600次,且甚至更佳地每小時120至900次。
根據本發明,較佳的是獲取一系列光譜,以便計算待傳遞至處理控制器從而計算處理參數「Ox」的平均參數Px。以此方式,實際上,已觀測到,有可能更好地考慮進行光譜量測所在之中空導管中並未處於熔融狀態之任何材料的存在。
較佳地,該實質上塑膠材料由不同塑膠之複合物組成。甚至更佳地,不同塑膠之該等複合物至少包含具有高H/C指數的聚合物,諸如聚乙烯、聚丙烯、聚醯胺、聚甲基丙烯酸甲酯;及具有低H/C指數的聚合物,諸如聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯。
替代地,或組合地,不同塑膠之此類複合物包括高碳指數聚合物,諸如聚乙烯(包括LDPE、LLDPE、HDPE)、聚丙烯、聚苯乙烯、彈性體;及低碳指數聚合物,諸如聚醯胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯及纖維素。
較佳地,該實質上塑膠材料由H/C指數(H/C指數)表徵,該H/C指數等於至少70,較佳介於80與98之間,甚至更佳地介於85與96之間。較佳地,該實質上塑膠材料由碳指數(碳指數)表徵,該碳指數等於至少55,較佳介於65與95之間,甚至更佳地介於75與90之間。
在某些實施例中,該實質上塑膠材料以包含在關於實質上塑膠材料之重量按重量計0.01%與10%之間的數量或以包含在0.05%與7.5%之間的數量,或以包含在0.2%與5%之間的數量含有至少一種非塑膠材料。該非塑膠材料可包括以下材料中的至少一者:紙、紙板、木材、堆肥(如由IUPAC在「Terminology for biorelated polymers and applications 」(IUPAC Recommendations 2012)(Pure Appl. Chem., 第84卷第2號,第377至410頁,2012年,DOI 10.1351/PAC-REC-10-12-04)中所定義)、諸如鋁及鐵的金屬材料,及/或惰性材料。
視需要,該實質上塑膠材料可含有無機填充劑,諸如二氧化矽、氧化鈦、滑石粉、焦炭、石墨、碳黑、碳酸鈣。在某些實施例中,該等填充劑可關於實質上塑膠材料之總重量以0.01至10%,較佳0.1至5%的數量存在。在某些實施例中,實質上塑膠材料具有最終無機殘餘物(灰燼),根據本文中所描述之方法所量測關於實質上塑膠材料之重量計是至少0.01%,較佳介於0.1%與20%之間,更佳地介於0.4與12 %之間,甚至更佳地介於1.1%與7%之間。
視需要,該實質上塑膠材料可含有溴化及氯化添加劑,該等添加劑獲得用以製造耐火塑膠材料或在任何狀況下賦予耐火性質。該等添加劑之實例為六溴環十二烷、十溴二苯醚、聚溴二苯醚及溴化聚合物,諸如溴化苯乙烯-丁二烯共聚物或溴化聚苯乙烯。
視需要,該實質上塑膠材料可含有非鹵化添加劑,該等添加劑用以製造防火塑膠材料或以其他方式賦予耐火性質,諸如磷及氮化合物。
若實質上塑膠材料含有該等材料或物質中的一或多者,則根據本發明之熱裂解處理並未不利地受到影響。
由「非恆定複合物」,吾人意謂,複合物在不同生產批次之間發生變化。替代地或組合地,複合物並非恆定的,此是因為即使在同一批次內,例如歸因於材料之分層,存在複合物之可變性。實際上,在輸送期間,可存在分層,該分層通常判定較重及/或小尺寸或粉末塑膠在底部上的濃度之增大且頂部上較輕及/或較大尺寸塑膠的增大。
替代地,該實質上塑膠材料並不具有恆定複合物,此是因為該實質上塑膠材料由不同製造商或供應商供應。每一製造商可具有不同生產規範及/或不同生產製程,使得獲得之產品為不同的。
較佳地,該實質上塑膠材料亦經回收再利用。
較佳地,該實質上塑膠材料亦關於實質上塑膠材料之重量按重量計以範圍為0.01%至10%的數量含有鹵化成分。
較佳地,該實質上塑膠材料由塑膠材料之選擇(分選)的處理來獲得。甚至更佳地,該實質上塑膠材料為殘餘的實質上塑膠材料,即在已回收一些塑膠之後,即在自饋送至選擇處理之實質上塑膠材料已選擇性提取一些塑膠之後剩餘的實質上塑膠部分。選擇性提取存在於某些塑膠的實質上同質材料提取(亦即,作為同質塑膠(monoplastic))。通常,在分選處理中,有可能的是提取聚乙烯、聚丙烯及聚對苯二甲酸乙二醇酯的實質純塑膠流(亦即,作為同質塑膠)。在此較佳選擇中,實質殘餘塑膠材料因此為在提取該實質純塑膠之後產生的材料。此部分在意大利由術語「塑膠化合物」或「塑膠混合物」知曉,其定義為「包括於後消費者封裝中且並未作為個別聚合物回收的異質塑膠集合」(先前技術1法律提案議院法案,18/05/2017的第4502號)。
此實質上塑膠材料可進一步經選擇以消除非可回收再利用材料或因此使用。詳言之,根據較佳方法,可能如上文所定義自塑膠材料之選擇處理(分選)獲得的該等實質上塑膠材料在用於本發明之熱裂解處理中之前經預處置。
此預處置較佳包含經調適以移除有機物質之至少部分的清洗。
較佳地,該預處置替代地或組合地亦包含非有機固體顆粒,諸如含鐵材料及碎石的消除。
包含在25℃下處於液體狀態的自熱裂解獲得之烴類的流體亦被稱作熱裂解油。
本發明之處理的較佳方法
根據較佳方法,能夠發射光的該探針由一或多個光學纖維組成。根據另一較佳方法,與該探針光學耦接之該偵測系統亦由一或多個光學纖維構成。
根據較佳方法,能夠發射光之該探針及與該探針光學耦接的該偵測系統整合於具有兩個功能的單一裝置中。
根據另一較佳方法,在該積體裝置中,能夠發射光之該探針及與該探針光學耦接的該偵測系統由光學纖維構成。
在此模式中,較佳地是關於能夠發射光之探針的光學纖維置放於該積體裝置之中心處,同時是關於與該探針光學耦接之偵測系統的光學纖維置放於沿著通過該中心之圓周等距地隔開的周邊中。
根據實施例,用於量測實質上塑膠材料之至少一個性質「Px」的該設備亦包含用於量測該實質上塑膠材料之溫度的構件。
用於量測溫度之該構件可為此項技術中已知的任何構件,諸如熱電偶、熱電阻(諸如,「PT100」或「PT1000」),或紅外線計量器。
有利地,溫度讀取區域與量測反射光譜之區域之間的最小距離不大於100 mm,較佳不大於30 mm,甚至更佳地不大於3 mm。
較佳地,用於量測溫度之構件為熱電偶,且包含能夠發射光之該探針及與該探針光學耦接之該偵測系統的該積體裝置進一步包含該熱電偶。實際上已觀測到,由與用於偵測經反射光之該探針光學耦接的該偵測系統偵測之吸收率光譜取決於由該光照射之實質上塑膠材料的溫度,且若溫度量測整合於該裝置中,則存在量測之更佳重複性。
較佳地,步驟a)中饋送至反應器之實質上塑膠材料藉由在預處置設備中進行加熱而被至少部分帶至熔融狀態。該預加熱設備可為單一螺桿擠出機、雙螺桿擠出機或螺旋鑽。該預加熱裝備可裝備有除氣功能,從而排出水蒸汽及產生之任何其他氣體,諸如詳言之氯化氫(HCl)。
出於此目的,可有利的是向該預加熱裝備饋送該實質上塑膠材料外加能夠有利於鹽酸的演化或使鹽酸鹽化的添加劑。此類添加劑較佳地由IA族及IIA族的元素構成。甚至更佳地為IA族及IIA族的氧化物、氫氧化物、碳酸鹽、矽酸鹽及鋁矽酸鹽。甚至更佳地,添加劑為氧化鈣、氫氧化鈣、碳酸鈣、氧化鈉、氫氧化鈉、碳酸鈉、氧化鉀、氫氧化鉀、碳酸鉀或鋁矽酸鈉。
預加熱溫度可為在120與430℃之間,較佳地在150與320℃之間,甚至更佳地在180與220℃之間。該預加熱設備中的駐留時間較佳小於10分鐘,甚至更佳地小於2分鐘,詳言之小於一分鐘。
因此,根據本發明之處理的較佳方法,至少部分處於熔融狀態的該實質上塑膠材料藉助於預加熱設備,較佳螺旋鑽或擠出機來獲得。用於熱裂解實質上塑膠材料以獲得在25℃下處於液相之至少烴類的該處理可以批量模式、連續模式兩者且以半連續模式進行。
在後一模式中,實質上塑膠材料經連續地加載,所產生之蒸汽經連續地提取,但任何固態殘餘物保持於熱裂解反應器內部。當反應器內部之固態殘餘物的數量升高高於某臨限值時或以預定義時間間隔,例如以2至10天之頻率,含有於反應器中之材料經移除且接著具有該固態殘餘物。
較佳地,反應器以連續或半連續模式管理,甚至更佳地以半連續模式管理。
本發明之熱裂解處理並不受特定類型之反應器限制。
詳言之,可使用水平或垂直的攪拌或非攪拌反應器、旋轉反應器(爐反應器)或螺桿反應器。
在連續攪拌反應器(continuously stirred reactor,CSTR)中,有可能的是使用完全填充反應器及其中氣相與包括液體及其他可能相(諸如產生之固體(燒焦物)之相分離的反應器或其中存在自由表面的反應器。
較佳地,反應器為具有自由表面的攪拌反應器。
根據一種較佳方法,由熱裂解反應器產生之熱裂解蒸汽隨後傳遞通過至少一個冷凝分離器,以便回收至少烴類,該等烴類在25℃下處於液相(如在本發明中所定義)。
由冷凝分離器(由冷凝進行的分離器),吾人意謂接收處於氣體狀態之流體且能夠自該流體移除足夠熱以便產生至少部分處於液體狀態的流體的任何裝備。
裝備之實例為能夠自經處理氣態流體移除熱的在內部包含線圈的冷凝器,熱攜載流體流過該等線圈。
亦可使用其他熱移除方法,例如或替代地或組合地,冷凝分離器可裝備有護套,能夠移除熱的該熱傳送流體流過該護套。
有利地,亦可使用氾流冷凝器,其中冷凝器由產生之液相部分氾流,且其冷凝能力藉由使該液相之高度發生變化來調節,此是由於僅並未氾流的線圈能夠自待冷凝之蒸汽吸收熱量。此情形因此允許電容器功率的有效調整。
替代地,冷凝分離器可由蒸餾柱組成。在此狀況下,冷凝流體起源於柱冷凝器中,且經冷凝之流體由重力或藉由泵汲至柱中流回,從而使柱內部的蒸汽冷凝。
藉由使用蒸餾柱類型之冷凝分離器,傳入蒸汽之更好分餾亦被獲得,亦即,經冷凝之較高沸騰成分與保持於氣相之較低沸騰成分之間的分離,此是由於每一平衡階段允許重成分之液相的濃縮及輕成分之氣相的濃縮。此外,落在柱內部之冷凝液體進行蒸餾柱內蒸汽的清洗。此情形具有保持存在於傳入蒸汽中之任何固態顆粒的結果,此情形以按液相進行收集結束。
此項技術中已知之任何技術可用以將熱裂解反應器中之壓力維持於所界定值。
根據第一方法,壓力可藉由調節自定位於反應器下游且與反應器流體連接的冷凝分離器提取的熱維持於所定義值。
根據第二方法,壓力可藉由位於熱裂解反應器下游及/或該至少一個冷凝分離器下游的可控制壓力降裝置來調節。
該可控制壓力降裝置可較佳具有集中式壓力降類型,諸如疊加閥;或具有分散式壓力降(具有可變截面之管)或氣壓裝置(諸如液壓密封件)。
包括可能用於增壓之輔助氣體的非冷凝式氣體可在釋放至環境之前發送至熱氧化系統。
有利地,兩個控制系統(由冷凝進行之分離器之功率的調節及對可控制壓力降裝置的調節)可組合在一起。反應器中之壓力較佳保持於大氣壓與13巴之間的範圍內。更佳地,該壓力保持於1.1與8巴之間的範圍內。甚至更佳地,該壓力保持於1.5與6巴之間的範圍內。最佳地,該壓力保持於1.1與4巴之間的範圍或2.5與4巴之間的範圍內。
反應器中之壓力可根據此項技術中已知之任何方法來量測。舉例而言,壓力傳感器可經使用,置放於反應器內部。替代地,根據諸如氮氣之惰性氣體用於反應器之內部加壓之狀況下的較佳方法,壓力感測器可有利地置放於該惰性氣體的注入導管內部,甚至更佳地朝向經進入反應器置放。
有利地,藉助於該至少一個分析量測「Ax」判定該實質上塑膠材料之性質「Px」的值用以設定熱裂解處理的至少一個參數「Ox」。
該至少一個參數「Ox」較佳是以下參數中之至少一者:熱裂解反應器之壓力、熱裂解反應器之溫度、熱裂解反應器中實質上塑膠材料的駐留時間及熱裂解反應器中實質上塑膠材料的流動速率,及該等參數的組合。
該至少一個「Ox」參數之設定(「設定點」)基於該至少一個「Px」性質之值的判定來計算。
該計算可有利地為簡單表達。若至少一個性質「Px」大於一,則至少一個參數「Ox」之計算的該表達可有利地包括一個以上性質「Px」。
「Ox」處理參數之調整可藉由此項技術已知之任何構件,例如藉助於控制器來進行,該控制器能夠讀取該「Ox」值、比較該「Ox」值與設定值(「設定點」)及對至少一個車間元素的至少一個參數(諸如先前已揭示的彼等參數)進行比較以便使該等兩個值之間的差為零。出於此目的,可使用任何處理控制器,諸如具有模糊邏輯、具有粒子群最佳化(PSO)或具有中性網路或此等之組合的PID控制器,諸如具有模糊邏輯控制器的控制器積體PID。
較佳地,該調節以位置(位置PID)或速率(速率PID)形式藉由PID演算法(成比例、整合式、導出性)進行。
較佳地,藉由由本發明獲得之該熱裂解蒸汽(亦即,熱裂解油)冷凝的25℃下之液體產物具有等於至少35%的C5至C12分率,且同時具有等於至多3.5%的C21及以上分率(下文中藉由「C21 +」命名)。較佳地,自本發明之處理獲得的熱裂解油為混合物,該混合物關於混合物之總重量按重量計以大於90%的量包含烴類。
較佳地,由本發明獲得之C5至C12的產率為至少30%,而C21且以上區段的產率等於至多3%。
本發明之申請人已觀測到,有利的是定義總指數(下文中亦被稱作「總指數」,簡寫為「O.I.」)。此指數定義為碳指數(C.I.)乘以H/C指數(如本發明中所界定)除以10000:
根據本發明之較佳方法,「Ox」參數由是總指數(O.I.)之函數的表達式來判定。
根據本發明之特定較佳方法,「Ox」參數為熱裂解壓力,且該熱裂解壓力,即「Ox」在該「總指數」O.I.結果大於或等於0.7時設定為等於至少臨限壓力PS的壓力,且在該「總指數」O.I.結果小於0.7時設定為低於該臨限壓力的壓力。較佳地,該臨限壓力PS是至少1.5巴,甚至更佳地介於2與2.9巴之間,詳言之為2.5巴。通常而言,此模式允許達成最佳結果。
實際上,藉由在本發明之實例1至11中應用此準則,獲得至少30%的C5至C12產率,且同時等於至多3%的C21及以上區段(C21+)的產率。
用於本發明之程序之設備的實例
第7圖示意性地圖示用於本發明之處理的設備之實例,在第7圖中,以下各者可見:
- 用於實質上塑膠材料(54)之熱裂解的反應器(70),該反應器(70)產生熱裂解蒸汽(52)及固態殘餘物(53),且其視需要接收輔助氣態流體(51)以促進反應器內壓力的維持;
- 第二反應器(71),第二反應器(71)使蒸汽經受來自熱裂解反應器(70)的熱裂解(52)達熱或熱催化處置;
- 第一壓力控制裝置(72),例如閥,其關於在熱裂解反應器(70)中量測之壓力閥值(80)在回饋中起作用;
- 第一冷凝器(73),其冷凝物(60)部分傳回(55)至熱裂解反應器(70);
- 第二冷凝器(74),其接收來自第一冷凝器(73)的蒸汽(57),從而產生第二冷凝物(61)及蒸汽(58);
- 第三冷凝器(75),其接收來自第二冷凝器(74)的蒸汽(58),從而產生第三冷凝物(62)及非冷凝蒸汽或殘餘氣體(59);
- 用於關於熱裂解反應器(70)中,例如閥處量測之壓力值(80)在回饋中控制壓力的第二裝置(76),該閥在發送殘餘氣體(56)至能夠接收殘餘氣體之單元之前約束離開冷凝器(59)之殘餘氣體的通過區段。
根據本發明之壓力控制之實施的實例
第8圖圖示藉由調變冷凝出口(62)上之開啟閥(78)進行的根據本發明之壓力控制之實施例的一些實例,從而繪示裝備有位準感測器(LT)及位準調整系統的氾流類型的冷凝分離器(75)。
熱裂解反應器(70)在其入口處接收實質上塑膠材料(54)且視需要輔助氣態流體(51),從而產生導向朝向至少一個冷凝分離器(75)的固態殘餘物(53)及熱裂解蒸汽。可選調節閥(72)自該熱裂解反應器(70)接收熱裂解蒸汽,且發送熱裂解蒸汽至冷凝分離器(75)。開啟調整由信號(85)給出。
在第8圖中,冷凝分離器(75)為氾流冷凝器:經冷凝流體使冷凝器之下部部分氾流,且冷凝藉由將冷於熱裂解蒸汽之熱傳送流體傳遞至經定位的襯套或線圈中進行,使得依據經冷凝液體之位準,襯套之與待冷凝之蒸汽接觸的部分發生變化(例如,藉由施加襯套於該冷凝器的側壁上)。
可選調節閥(76)藉由在發送(56)殘餘氣體(59)至接收單元之前約束殘餘氣體(59)的傳遞截面來調整壓力。
調節閥(78)可選地調節冷凝流體(62)之流出量,且因此調節氾流冷凝器(75)的氾流位準。
可選調節閥(77)調節進入熱裂解反應器(70)之輔助氣態流體的流動速率。
位準控制器(LIC)讀取由位準感測器(LT)量測之氾流冷凝器(75)的位準信號(83),且在回饋中調整閥(78)的開度,以確保位準(83)對應於接收自PIC控制器的設定點指示(86)。應注意,該設定點指示(86)對於100%位準等於0 (亦即,最大氾流=最小冷凝功率),且對於0%位準為100 (亦即,空冷凝器=最大冷凝功率)。
發送至閥(76)之開度指示(87)對於閉合閥為0,且對於完全開啟的閥為100。
確切而言發送至閥(77)的開度指示(84)以相反模式操作,此是因為閥(77)必須開啟以增大反應器(80)的壓力且關閉以降低壓力。
熱裂解反應器(80)之壓力信號可為多個壓力傳感器之處理結果,如下文所解釋;此外,如圖中所繪示,壓力信號可在發送至熱裂解反應器之清潔流體上、朝向該反應器之出口附近偵測到,使得傳感器之膜保持為清潔的。圖繪示其中該壓力信號在攜載輔助氣態流體(51)至熱裂解反應器的導管上獲得。
熱裂解反應器之壓力設定點(PS)可例如藉由設定車間之控制面板上的值來局部或手動地設置,或壓力設定點(PS)可為遠端的或來自外部設定信號。
該外部信號可為在到達熱裂解反應器(54)中之實質上塑膠材料上讀取的一或多個參數基礎上計算的設定點(81)。舉例而言,該壓力設定點可為表達式,其中變數為藉由分析器在線上或線下量測的該實質上塑膠材料之H/C指數(H/C指數)及碳指數(碳指數)(在輸入端處)。
壓力控制器(PIC)讀取該壓力信號(80),且比較該壓力信號與設定點(PS),且例如在回饋中使用PID演算法(成比例、整合性、導數性)對調節裝置(84、85、86、87)中之一者個別或組合地起作用,以便使信號讀數(80)與設定點(PS)之間的誤差最小化。該組合之實施例的一個實例藉由在分裂範圍模式中使用調整裝置(86)及(87)來獲得。
熱裂解油樣本之氣體-色相色譜分析的方法
熱裂解油樣本藉由氣體色相色譜分析來表徵。化合物之定量識別初步地使用耦合氣體色相色譜分析-質譜分析法(gas chromatography - mass spectrometry,GC-MS)技術進行,而化合物之定量化藉由運用火焰離子化偵測器的氣體色譜色相分析法(gas chromatography with flame ionization detector,GC-FID)來進行。
下文為針對GC-FID分析採用的儀器參數:
- GC:Agilent HP 7890 B,裝備有MPS Gerstel自動取樣器
- 柱:HP-PONA Agilent Technologies J&W - 50 m - 0.2 mm - 0.5 μm,
- 載氣(H2):1.1 mL/分鐘恆定流
- 注入器:320℃,255:1分裂,具有玻璃棉的3 mm襯裡(超級惰性)
- 偵測器:360℃
- 爐:柱溫度程式:20℃歷時5分鐘,以2℃/分鐘直至70℃歷時5分鐘,以2℃/分鐘處於160℃歷時5分鐘,以2℃/分鐘處於320℃歷時30分鐘(執行時間:195分鐘)。
樣本因此藉由對等於所有化合物中之一者的任一回應因數歸類來分析;獲得之濃度接著正規化為100%。
對蠟樣本之氣體-色相色譜分析的方法
吾人由蠟意謂在熱裂解油之超速離心法之後剩餘在底部上的部分,如下文所描述。
此部分以不同方式分析以允許具有高分子量之化合物的識別。
實際上,此等化合物在氣體色相色譜分析期間可能並未似真地洗脫且分析。
在獲取樣本用於GPC分析之前,在肖特瓶中含有之熱裂解油加熱至50℃以使其內含物均質化(在一些狀況下由室溫下蠟類化合物的沈積及/或分層表徵或經冷卻)。添加有10 μL之正庚烷(內部標記物)的1,2,4-三氯代苯(Baker)中幾mg的樣本在熱下溶解(在150°下一個小時的溶解)以便獲得大約1.8 mg/mL的濃度。
以下各者組成的分析由色相色譜分析設備進行:
- 高溫GPC-IR聚合物燒焦物
- 具有13 μm尺寸之3個TSK凝膠HT2柱與前置柱的工作台
- 高溫下的紅外線偵測器IR5,其提供與甲基及亞甲基基團之數量成比例的吸收率信號。
所採用之實驗條件是如下:
- 洗脫液:藉由BHT穩定化的1,2,4 TCB
- 流:1 mL/分鐘
- 溫度:泵處於25℃,注入器處於150℃,柱處於150℃,偵測器處於150℃
- 注入體積:200微升
- 內部標準:正庚烷。
對熱裂解氣體之氣體-色相色譜分析的方法
熱裂解氣體流出樣本在採用304L不銹鋼之DOT類型之500 mL Swagelok料筒中取樣(亦即,由美國運輸部-DOT調節),該料筒內部塗佈有PTFE以使得內部表面為惰性的。所使用之儀器為並行地裝備有3個模組的Agilent 490 μGC,3個模組中之每一者判定僅某些類型之化合物。詳言之:
- 模組1:具有加熱注入器及倒沖功能的10 m MS 5Å
- 模組2:具有未經加熱注入器之10 m PPQ
- 模組3:具有加熱之注入器的10 m CpSil-5CB。
以下內容為針對各種模組採用的儀器參數:
- 模組1:注入器溫度:110℃,倒沖:30 s,注入時間:100 ms,柱溫度:45℃,載氣壓力:80 kPa,載氣:氬(對於氫分析為基本的)。
- 模組2:注入時間:15 ms,柱溫度:70℃,載氣壓力:180 kPa,載氣:氦。
- 模組3:注入器溫度:110℃,注入時間:20 ms,柱溫度:70℃,載氣壓力:230 kP,載氣:氦。
每一模組分析僅幾種特定化合物:
- 模組1:氫氣、氧氣、氮氣、甲烷、CO。
- 模組2:CO2、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷、丙二烯、丙炔、異丁烷、異丁烯、1-丁烯、1,3-丁二烯、正丁烷、反式-2-丁烯、順-2-丁烯。
- 模組3:1-丁烯-3-ino、1,2-丁二烯、異戊烷、1,4-戊二烯、1-戊烯、正戊烷、2-甲基-2-丁烯、1,3-戊二烯、環戊烯、正己烷、甲基-1,3-環戊二烯、苯、3-乙基環戊烯、甲基環己烷、甲苯、乙苯、二甲苯。
定量藉由外標準藉助於校準線來進行,該校準線由具有以下複合物的兩個校準料筒進行:
- 儲槽1:戊烯-2(反式)= 0.1%莫爾;戊烯-2 (順式) = 0.1%莫爾;戊烯-1 = 0.1%莫爾;正戊烷= 0.25%莫爾;甲基-2丁烯-2 = 0.2%莫爾;異戊烷= 0.5%莫爾;正己烷= 0.1%莫爾;丙烯= 20%莫爾;丙烷= 0.5%莫爾;丙烯= 0.5%莫爾;甲烷= 20%莫爾;異丁烯= 1%莫爾;異丁烷= 0.5%莫爾;氫= 15%莫爾;乙烯= 30%莫爾;乙烷= 3%莫爾;一氧化碳= 1%莫爾;二氧化碳= 0.5%莫爾;丁烯-1 = 1%莫爾;丁烯-2(反式)= 0.5%莫爾;丁烯-2 (順式) = 0.5%莫爾;正丁烷= 0.5%莫爾;丁二烯-1.3 = 1.5%莫爾;乙炔= 0.5%莫爾;達100%的補足物:氮。料筒容積[升]:40;裝料壓力[巴]:6.29;料筒類型:鋁製。
- 儲槽2:苯= 0.0302%莫爾;甲苯= 0.0323%莫爾;甲基氯己烷= 0.0674%莫爾;苯乙烯= 0.0334%莫爾;乙苯= 0.0339%莫爾;達100%的補足物:氦。料筒容積[升]:5;裝料壓力[巴]:13.29;料筒類型:鋁製。
以下化合物並不存在於校準料筒中。因此使用足夠類似於該等化合物的化合物之校準,該等化合物具有非常類似的回應因數(差異在此狀況下為可忽略的):
關於固態殘餘物(燒焦物)之熱重分析(TGA)的方法
化合物: | 校準所藉由 |
丙炔 | 丙二烯 |
1-丁烯-3-ino | 1,3-丁二烯 |
1,2-丁二烯 | 1,3-丁二烯 |
1,3-戊二烯 | 1,3-丁二烯 |
1,4-戊二烯 | 1,3-丁二烯 |
環戊烯 | 1-戊烯 |
甲基-1,3-環戊二烯 | 1-戊烯 |
3-甲基環戊烯 | 1-戊烯 |
TGA分析對TA儀器型號Q 500的儀器執行。溫度校準使用鎳鋁金及鎳樣本之居裡點來進行,而重量校準使用由TA儀器供應之經驗證重量連同分析器一起來進行。實際上,不銹鋼樣本固持器中20至30 mg之間的數量的稱重樣本與樣本固持器一起置放於TGA分析器中的鉑金坩堝中。使用不銹鋼樣本固持器促進最終殘餘物(灰燼)之隔離及回收,從而保持鉑金坩堝的完整性。樣本經受呈三個步驟的分析程序:
- 第一步驟(氮氣氛中的熱裂解):自40℃之初始溫度開始,樣本以受控速率加熱(v = 10°/分鐘)直至800℃。
- 第二步驟(氮氣氛中的冷卻):自800℃之初始溫度開始,樣本以受控速率(v = 20℃/分鐘)冷卻直至400℃。
- 第三步驟(在空氣中的熱氧化):自400℃之溫度開始,由熱裂解(步驟1)產生之樣本以受控速率(v = 20℃/分鐘)經受加熱,直至處於850℃。
整合使用通用軟體(TA儀器)執行,從而導致:
- 步驟1:各種溫度下的重量損失,之後判定對應於重量損失關於溫度之導數之最大峰值的溫度及800℃下的殘餘物。
- 步驟3:各種溫度下的重量損失,之後判定對應於重量損失關於溫度之導數之最大峰值的溫度及850℃下的殘餘物。對於步驟3,重量損失對應於同素異形狀態或粒子大小上不同的一或多種碳物質。
本發明之一些圖示但非限制性實例是如下。
實例
原始材料
認為使用實質上經回收再利用塑膠材料及原生原始材料(亦即,並非來自回收再利用但來自合成)之兩者的一些樣本為適當的。所使用之實質上經回收再利用塑膠材料為塑膠混合物(Plasmix),其是包括於消費後封裝中且並未作為塑膠回收再利用車間之該預處置車間中的個別聚合物回收的異質塑膠集合。詳言之,選擇具有不同H/C指數及不同碳指數的四種塑膠混合物樣本。
亦使用原生原始材料,其複合物因此為已知且恆定的以促進實驗之可重複性。此外,藉由組合經回收再利用之原始材料與原生原始材料,有可能的是擴展經評估之聚合物摻和物的基礎,以便增大所使用之H/C比率及碳指數的範圍。
所使用之原生材料是如下:
聚合物 | 縮寫 | 等級 | 製造商 |
聚乙烯 低密度 | LDPE | Riblene®FC20 | Versalis |
線性低密度聚乙烯 | LLDPE | Flexirene®CL10 | Versalis |
聚乙烯高密度 | HDPE | Eraclene®BC82 | Versalis |
聚丙烯 | PP | Isplen®PP040 | Repsol |
聚苯乙烯 | PS | Edistir®N3782 | Versalis |
聚乙烯對苯二酸酯 | PET | Monflakes®R-PET | Montello |
纖維素 | CELL | C6288 | Sigma-Aldrich |
聚氯乙烯 | PVC | S3160 | Vinnolit |
聚乙烯顆粒以如下比率混合:5.7%之HDPE Eraclene BC82、34.3%之LLDPE Flexirene CL10及60%的Riblene FC20。此混合物因此為隨後使用的「PE」材料。
下表繪示所使用材料的原子複合物(重量百分數)。
材料(以縮寫形式) | |||||||
PE | PP | PS | PET | CELL | PVC | ||
原子 | H | 14.3% | 14.3% | 7.7% | 4.2% | 6.2% | 4.8% |
C | 85.7% | 85.7% | 92.3% | 62.5% | 44.4% | 38.7% | |
N | 0.0% | 0.0% | 0.0% | 0.0% | 0.0% | 0.0% | |
O | 0.0% | 0.0% | 0.0% | 33.3% | 49.4% | 0.0% | |
Cl | 0.0% | 0.0% | 0.0% | 0.0% | 0.0% | 56.5% |
以下化合物使用所列出之原生原始材料(按重量份)來製備:
化合物 | |||||
PAT1 | PAT2 | PAT3 | PAT4 | PAT5 | |
PE | 70.00 | 51.60 | 46.60 | 42.10 | 52.58 |
PP | 30.00 | 22.20 | 20.00 | 18.00 | 22.55 |
PS | 0.00 | 2.50 | 27.00 | 5.30 | 8.70 |
PET | 0.00 | 2.50 | 5.40 | 26.50 | 8.60 |
CELL | 0.00 | 20.20 | 0.00 | 7.10 | 6.83 |
PVC | 0.00 | 1.00 | 1.00 | 1.00 | 0.75 |
在所使用之原始材料(指示於先前表中)之碳及氫原子的含量基礎上,碳指數及氫/碳比率(H/C指數)根據按優先權提供的等式計算。
對於所使用之5種PAT1、PAT2、PAT3、PAT4及PAT5化合物,以下H/C指數及碳指數值可因此予以計算:
化合物 | |||||
PAT1 | PAT2 | PAT3 | PAT4 | PAT5 | |
H/C指數 | 100 | 95 | 83 | 83 | 90 |
C.I. 碳指數 | 86 | 76 | 86 | 77 | 81 |
高H/C (>90) | + | + | - | - | 0 |
高碳指數(>80) | + | - | + | - | 0 |
該等H/C比率及碳指數亦關於在實驗中使用的實質上塑膠混合物之經回收再利用材料B01、B02、B03及B04進行計算:
回收再利用材料 | ||||
B01 | B02 | B03 | B04 | |
H/C指數 | 95.10 | 90.56 | 87.73 | 70.27 |
C.I.碳指數 | 82.90 | 79.60 | 82.50 | 78.80 |
高H/C (>90) | + | + | - | - |
高碳指數(>80) | + | - | + | - |
分析兩個表,可看出,PAT1及PAT2未由高H/C指數表徵的化合物,PAT3及PAT4由低H/C指數表徵;而PAT1及PAT3具有高碳指數(皆為86),且PAT2及PAT4具有低碳指數(皆為76)。
以此方式,有可能的是關於兩個所指示變數(H/C指數及碳指數)分析熱裂解材料的行為。
又在回收再利用材料中,兩種材料(B01、B02)藉由高H/C指數表徵,而其他兩種材料(B01、B03)由高碳指數表徵。
PAT 5化合物為先前四種化合物(PAT1、PAT2、PAT3及PAT4)的平均複合物,且其用以驗證模型及實驗。
用以產生校準曲線及驗證校準曲線的化合物
下表說明經製備且用以準備校準曲線且檢查校準曲線的化合物之複合物。
在表中,「化合物」行指示化合物之名稱;「基礎」指示使用之基礎。關於僅使用之基礎之重量且並非化合物之總重量來計算百分數。舉例而言,「M03」化合物藉由B01 + 4% LDPE製造,即其中化合物包括100份的B01及4份的LDPE。
用以判定校準曲線且隨後用以為熱裂解反應器饋料的設備及處理條件
化合物 | 基礎 | LDPE | PS | PP | PVC | CELL | PET | H/C指數 | C.I. | |
M01 | B01 | 82.9 | 82.9 | |||||||
M02 | B01 | 2% | 82.9 | 82.9 | ||||||
M03 | B01 | 4% | 82.9 | 83.0 | ||||||
M04 | B01 | 82.9 | 82.9 | |||||||
M05 | B01 | 1% | 82.9 | 83.0 | ||||||
M06 | B01 | 4% | 82.9 | 83.2 | ||||||
M07 | B01 | 82.9 | 82.9 | |||||||
M08 | B01 | 1% | 82.9 | 82.9 | ||||||
M09 | B01 | 3% | 82.9 | 83.0 | ||||||
M10 | B01 | 82.9 | 82.9 | |||||||
M11 | B01 | 1% | 82.9 | 82.4 | ||||||
M12 | B01 | 4% | 82.9 | 81.1 | ||||||
M13 | B02 | 82.9 | 79.6 | |||||||
M14 | B02 | 1% | 82.9 | 79.7 | ||||||
M15 | B02 | 3% | 82.9 | 79.8 | ||||||
M16 | B02 | 82.9 | 79.6 | |||||||
M17 | B02 | 1% | 82.9 | 79.7 | ||||||
M18 | B02 | 3% | 82.9 | 80.0 | ||||||
M19 | B02 | 82.9 | 79.6 | |||||||
M20 | B02 | 4% | 82.9 | 79.0 | ||||||
M21 | B02 | 82.9 | 79.6 | |||||||
M22 | B02 | 2% | 82.9 | 79.2 | ||||||
M23 | B02 | 4% | 82.9 | 78.9 | ||||||
M24 | B02 | 82.9 | 79.6 | |||||||
M25 | B02 | 2% | 82.9 | 79.7 | ||||||
M26 | B02 | 4% | 82.9 | 79.8 | ||||||
M27 | B02 | 82.9 | 79.6 | |||||||
M28 | B02 | 1% | 82.9 | 79.2 | ||||||
M29 | B02 | 3% | 82.9 | 78.4 | ||||||
M30 | B03 | 82.9 | 82.5 | |||||||
M31 | B03 | 1% | 82.9 | 82.6 | ||||||
M32 | B03 | 4% | 82.9 | 82.7 | ||||||
M33 | B03 | 82.9 | 82.5 | |||||||
M34 | B03 | 2% | 82.9 | 82.7 | ||||||
M35 | B03 | 4% | 82.9 | 82.9 | ||||||
M36 | B03 | 82.9 | 82.5 | |||||||
M37 | B03 | 1% | 82.9 | 82.6 | ||||||
M38 | B03 | 4% | 82.9 | 82.7 | ||||||
M39 | B03 | 82.9 | 82.5 | |||||||
M40 | B03 | 2% | 82.9 | 81.6 | ||||||
M41 | B03 | 4% | 82.9 | 80.8 | ||||||
M42 | B04 | 82.9 | 78.8 | |||||||
M43 | B04 | 1% | 82.9 | 78.3 | ||||||
M44 | B04 | 3% | 82.9 | 77.5 | ||||||
M45 | 89% | 11% | 0.50% | 82.9 | 86.2 | |||||
M46 | 83% | 15% | 2% | 82.9 | 85.8 | |||||
M47 | 79% | 20% | 1% | 82.9 | 86.6 | |||||
M48 | 94% | 5% | 1.50% | 82.9 | 85.3 | |||||
M49 | 74% | 25% | 1% | 82.9 | 86.9 | |||||
M50 | 92% | 8% | 82.9 | 86.0 | ||||||
M51 | 96% | 2.50% | 1.50% | 82.9 | 85.2 | |||||
討論中之設備由ZSK 26共旋轉雙螺桿擠出機組成,其中螺桿長度L與直徑D的比率等於L/D = 32。擠出機裝備有以下各者:
- 饋料區段,其裝備有料斗及具有輸送元件的螺桿型線;
- 熔融及混合區段,其中使用捏合及混合元件加上左側型線元件以確保填充;
- 除氣區段,其中熔融聚合物之壓力藉由減小螺桿核心之直徑來減小,且在料筒中製造出連接至真空泵的開口從而抽吸所產生的任何氣體;
- 加壓區段,其中螺桿之核心的直徑增大。
擠出機裝備有加熱及冷卻控制系統以調節上文指示之擠出機之區段中料筒的溫度。
擠出機出口連接至第1圖中指示之類型的中空導管,其中包括用於發射光之探針及該光學耦接偵測系統兩者的積體裝置經連接。用於此目的之積體裝置為具有藍寶石訊窗及光學纖維(7個400微米光學纖維加上另外7個600微米纖維)的鈦反射探針,兩種光學纖維用於發射光的探針(中心)且用於光學耦接的偵測系統(周邊)。該積體裝置連接至傅里葉變換光譜儀(Fourier transform spectrometer,FTIR),其具有InGaAs偵測器、光譜範圍為12800至4000 cm
-1、解析度為2 cm
-1且裝備有工業PC加上用於與熱裂解車間之分散式控制系統(DCS)通信的網路通信協定介面。所使用之光譜儀為Bruker Matrix- F。
該中空導管亦包括用於量測實質上塑膠材料之溫度的溫度傳感器及壓力傳感器,該溫度傳感器延伸至該導管內部達該導管之內部直徑的約1/3。
該中空導管之出口連接至孔口,該孔口具有確保該中空導管中所要求壓力之維持的用途。
擠出機由三個重力饋送器饋送至料斗。
在進行以產生校準曲線的測試期間,且對於化合物批量饋送的實例,實質上塑膠材料的熔融物經由模具,接著水及顆粒浴盆傳遞。在連續熱裂解測試中,另一方面,實質上塑膠材料的熔融物發送至熱裂解反應器。
擠出機螺桿之速度保持為足夠高以確保擠出機料斗保持為空的。
產生校準曲線的測試
對於樣本材料中之每一者,測試在4個不同溫度(170 - 190 - 210 - 230℃,因此間隔相較於用於繪示於第6圖中之光譜中的間隔經減小)下且以3個不同流動速率(對應於等於1、1.5及2 mm/s的導管中之平均速度,該平均速度在中空導管的區域上計算為體積流動速率)進行。在中空導管中接近光譜之量測點量測的壓力根據測試及樣本材料為可變的,但始終在5與200巴之間。
對於每一條件亦獲取10個光譜,對於每一樣本材料獲取總計120個光譜。
「Cx」校準曲線的判定
校準曲線根據上文描述之「滾動」模式判定,選擇7個樣本材料用於驗證且51-7 = 44個樣本材料作為校準樣本用於多變數迴歸。第二遍次藉由選擇7個其他樣本材料(不同於第一遍次)用於驗證,且選擇剩餘樣本材料作為校準樣本用於多變數迴歸。吾人以相同方式繼續進行達總計6個回圈。吾人對於第七且最後遍次亦以相同方式進行,除了用於驗證之樣本材料為尚未用於驗證中的剩餘51-7 * 6 = 9個樣本材料,且剩餘42個樣本材料作為校準樣本用於多變數迴歸。
使用隱含模式,在該隱含模式中,因此諸如溫度、壓力及速度的處理變數在模型中隱含地起作用且並未作為額外參數。
應用類型PLS (
部分最小平方)的多變數迴歸。
最終校準曲線使用負載(「加載」)的值,該校準曲線由根據上文描述之旋轉模式識別的負荷之平均值來給出。
組件之數目選擇
評估用於模型中的PLS組件之數目。
減小數目個組件減小模型之準確性,同時極大數目個組件提出過度擬合的風險,從而減小模型的外插及內插能力。
第3圖繪示結果,結果繪示預測上的平均均方差使用前5個組件(NC = 5)已下降至極低值。
考慮對於NC = 11的狀況,吾人變得非常靠近於預測誤差的最小值,選擇使用校準曲線,包括前11個組件(NC = 11)。
「Cx」校準曲線之預測的準確性
第4圖及第5圖分別繪示H/C指數及碳指數,該H/C指數及碳指數藉由該校準曲線計算,與「真實」H/C值進行比較,亦即,在主要分析基礎上進行判定。本發明中揭示之方法的預測能力及該預測之顯著準確性自此等圖清楚地顯而易見。
用於熱裂解實例之熱裂解設備(「設備1」)
本發明之用於熱裂解實例之熱裂解設備由以下各者組成:
- 恆溫反應器,其裝備有用於載入材料之凸緣、惰性氣體(氮氣)入口的內浸管、用於連接至可能擠出機從而傳入實質上塑膠材料的噴嘴、用於排出蒸汽之噴嘴及用於熱電偶中之每一者從而量測溫度且量測壓力的噴嘴加上用於位準量測的兩個噴嘴;
- 該反應器之攪拌系統,其裝備有低旋轉速度(大約為0.1 m/s的周緣速度)的錨定攪拌器及擋水板
- 流量計,其裝備有用於調節至反應器中之惰性氣體流動速率的精細調整閥;
- 位於反應器之頭端上的壓力傳感器加上局部壓力計,其讀取反應器內部氣體的壓力;
- 三個熱電偶,其用於量測位於反應器之下部部分中之實際溫度;
- 反應器溫度調節系統,其讀取三個熱電偶中之一者的溫度值且在回饋中對恆溫系統起作用,其控制參數已經合適地校準以確保高熱穩定性(5℃下的較低溫度波動);
- 位準指示器,其經由使用差分壓力感測器讀取反應器中的靜水頭壓力(反應器之頭端與底部之間的壓力差);
- 用於冷凝離開反應器之蒸汽的冷凝器,其藉助於由處於受控溫度下之冷凍單元引起流動的冷凍流體保持於-10℃;
- 閥,其用於調節離開反應器的氣體流、插入於該反應器與該冷凝器之間;
- 用於調節反應器之壓力的系統,該系統讀取該壓力傳感器之壓力值且在回饋中對該調節閥起作用,以便確保高壓力穩定性(低於50毫巴的壓力振盪)
- 可膨脹燒瓶,其氣密地連接至該冷凝器之上部出口、經設計以收集並未經冷凝的氣體部分;
- 接收容器,其氣密地連接至該冷凝器之下部輸出端、經設計以收集經冷凝部分且因此處於液體狀態,其中排出口連接至冷凝器的該上部輸出端;
- 用於截留傳入氮氣的閥;
- 閥,其用於在與接收容器密封連接之前截取離開冷凝器之液體產物;
- - 閥,其用於在與可膨脹燒瓶密封連接之前截取離開冷凝器之氣體產物;
- 用於饋送至少部分處於熔融狀態之實質上塑膠材料至熱裂解容器的設備,該設備包含用於量測且分析上文描述之塑膠材料之光譜的系統;
- 重力饋送器,其用於在該雙螺桿擠出機之料斗中定量給料顆粒狀聚合混合物,從而在反應器中定量給料顆粒狀聚合混合物。
顆粒狀聚合物摻和物之製備實例
提供按複合物表製備的化合物(PAT1、PAT2、PAT3、PAT4、PAT5)。舉例而言,製備「PAT1」化合物,其包含以下材料:
- 由Versalis製造之42份低密度聚乙烯(LDPE)類型Riblene® FC20;
- 由Versalis製造之24份線性低密度聚乙烯(LLDPE)型Flexirene® CL10;
- 由Versalis生產的4份高密度聚乙烯(HDPE)類型Eraclene® BC82
- 由Repsol生產之30份聚丙烯(PP)類型ISPLEN® PP040。
在Coperion ZSK 26雙螺桿擠出機中,因此製備之化合物在250℃下熔融,使用存在於擠出機螺桿中的混合元素來混合,且經由模具傳遞。擠出機中總駐留時間小於一分鐘。因此獲得之聚合物的混合物接著在液體浴中冷卻,且顆粒化成具有約3 mm之直徑及長度的顆粒。以此方式,產生PAT1、PAT2、PAT3、PAT4及PAT5顆粒狀聚合物的化合物。
熱裂解實例1至8 (比較性且根據本發明)
實例1至8藉由顆粒狀聚合物製造,且壓力指示於下表中:
實例編號 | [#] | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
根據本發明或比較性 | 比較性 | 本發明 | 比較性 | 本發明 | 比較性 | 本發明 | 本發明 | 比較性 | |
聚合物化合物 | [-] | PAT1 | PAT1 | PAT2 | PAT2 | PAT3 | PAT3 | PAT4 | PAT4 |
壓力 | [巴] | 大氣壓 | 5 | 大氣壓 | 5 | 大氣壓 | 5 | 大氣壓 | 5 |
在上述「設備1」之反應器中,所指示之顆粒狀聚合物的混合物在室溫下加載,直至達到反應器之幾何容積的1/3。用於來自擠出機之熔融聚合物之可能傳入的噴嘴尚未使用且已被插入。
用於調節離開反應器之氣體流的閥已手動設定為全開。
氮氣接著經由內浸管自下方注入,從而完全開啟流量計的精細調整閥。
反應器中含有之氣體接著經移除歷時等於24小時的時間,以便確保氧的消除。
接著關閉來自冷凝器之氣體及液體產物之出口上的閥。之後緊接著,氮供應中斷。吾人接著繼續進行以連接收集用於產生之氣體的可膨脹燒瓶與用於收集產生之液體的接收容器。
來自冷凝器之氣體及液體產品之出口處的閥接著重新開啟。
用於調節離開反應器之氣體流的閥已設定為處於自動調節至經選擇用於測試的值(在此實例中,0進氣壓力=1巴)。
氮氣接著經由內浸管自下方注入,但設定低流動速率經選擇使得在可膨脹燒瓶中收集之氮氣的數量在其替換之前並未超出燒瓶之最大容積的30%。
上文描述之用於實現實例1至8的形態下文將界定為「設定A1」。
反應器熱調節系統接通,從而設定以下程式:
1. 每分鐘4度的第一加熱斜率,直至達到380℃;
2. 維持380℃之溫度歷時3小時;
3. 每分鐘2度的第二加熱斜率,直至達到430℃;
4. 維持430℃之溫度歷時3小時;
5. 每分鐘2度的第三加熱斜率,直至達到480℃;
6. 維持480℃之溫度歷時3小時;
7. 關斷加熱。
上文描述之溫度對時間型線下文中將被稱作「T1型線」。
清潔
在自程式結束12小時之後,驗證反應器溫度低於60℃,且繼續進行以中斷氮供應、關閉離開冷凝器之液體及氣態產品之截留的閥且開啟反應器凸緣。
反應器之內部經仔細地清潔以便使灰塵及沈積物掉落,灰塵及沈積物可能已形成於與產生於反應器內部之液體及氣體接觸的部分上。
分析
吾人接著繼續進行以自反應器之底部移除所有固態材料並對固態材料稱重,且使用於接收液體的容器與可膨脹燒瓶拆離。
含有於液體接收容器中之液體經稱重,且接著經受25000 RPM下的超速離心處理(熱科技超速離心法模型離心機演進RC)歷時45分鐘。
在超速離心處理之後剩餘在底部上的部分(下文中被稱作蠟部分)及浮層(後者被稱作油部分)接著經分離且稱重。
油的百分數藉由使所獲得之油部分的重量除以初始饋送至反應器之材料之重量來計算。
蠟百分數藉由使所獲得之蠟部分的重量除以初始饋送至反應器之材料之重量來計算。
碳殘餘物(燒焦物)的百分數藉由使所獲得之固體部分的重量除以初始饋送至反應器之材料之重量來計算。
產生之氣體的質量計算為初始饋送至反應器中之材料之重量與蠟部分、碳殘餘物(燒焦物)及油之重量的總和之間的差。所產生之氣體部分藉由使因此計算之氣態部分的質量除以初始饋送至反應器中之材料之重量來計算。
所獲得之部分藉由上述技術來分析。所識別之化學化合物為約130。
對於此等化學化合物中的每一者,計算每一元素的原子數目且自每一原子的原子量計算原子的質量分率。
「C5至C12產率」意謂經蒸發熱裂解產品中具有自5至12碳原子(所包括的極值)之化學化合物之質量的總和關於經饋送之總質量的比率。類似地,藉由「C21 + 產率」,吾人意謂經蒸發之熱裂解產品中具有至少21個碳原子之化學化合物的質量總和關於經饋送之總重量的比率。
藉由「C5至C12部分」,吾人意謂產品中具有自5至12碳原子(所包括的極值)之化學化合物之質量的總和關於經饋送之總質量的比率。類似地,藉由「C21 + 部分」,吾人意謂在產品中具有至少21個碳原子之化學化合物的質量總和關於經饋送之總重量的比率。
藉由經蒸發之熱裂解產物,吾人因此意謂氣體部分、油部分及蠟部分但非殘餘固態(燒焦物)的總和。
為此目的,氣體色相色譜分析對氣體、油及蠟部分中之每一者分離地進行,因此計算給定化合物「C」的產率如下:
其中:
-
為所指示之產品區段<FRAC>中化合物C的質量部分(<FRAC>為氣體 = 氣態部分,油 = 油部分,或蠟 = 蠟部分)。在GAS部分的狀況下,存在之氮部分先前自計算消除(此作為惰性氣體饋送,且並非作為熱裂解產品饋送)。GAS部分的色相色譜分析按體積給出份數,該等份數在假定體積份數對應於莫爾份數且接著在知曉化合物之分子量而計算重量份情況下已轉換為重量份。
-
分別為油及蠟部分的質量分率,藉由所收集材料之重量除以饋送至熱裂解中之材料的重量來獲得。另一方面,產生之氣體的重量藉由饋送之熱裂解中之材料的重量與油、蠟及固態殘餘物(燒焦物)部分之材料重量之總和之間的差來計算:
確切而言自
與
之間的比率來計算。
下表概述專利之實例及比較性實例1至8的熱裂解條件:
熱裂解實例9至11
樣本編號 | [#] | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
比較性/本發明 | [-] | 比較性 | 本發明 | 比較性 | 本發明 | 比較性 | 本發明 | 本發明 | 比較性 |
配置 | [#] | A1 | A1 | A1 | A1 | A1 | A1 | A1 | A1 |
溫度 | [#] | T1 | T1 | T1 | T1 | T1 | T1 | T1 | T1 |
型線 | |||||||||
聚合物化合物 | [-] | PAT1 | PAT1 | PAT2 | PAT2 | PAT3 | PAT3 | PAT4 | PAT4 |
壓力 | [巴] | 大氣壓 | 5 | 大氣壓 | 5 | 大氣壓 | 5 | 大氣壓 | 5 |
實例9、10及11在與實例1至8相同的設定及熱型線條件(設定A1及溫度型線T1)下進行。壓力設定為3巴。實際上,目標為評估可重複性,且因此獲得結果之可靠性,且如同在實驗之設計(DOE、實驗設計)中通常遵循之實踐一般,決定重複中心點3次。
用於所有三個實例之化合物為PAT5,此如先前所報告具有是化合物PAT1、PAT2、PAT3及PAT4的平均值之複合物。摻和物經擠出,從而形成如實例1至8的顆粒狀聚合物。
熱裂解實例12至13 (比較性及根據本發明)
根據本發明之實例及比較性實例1及2 (PAT1聚合物摻和物、熱裂解壓力為1及5巴)經重複,但現描述使用的不同熱型線。
以下程式在反應器熱調節系統上設定:
1. 每分鐘4度的加熱斜率,直至達到430℃;
2. 維持430℃之溫度歷時6小時;
3. 關斷加熱。
關於先前實例的差因此為,熱裂解處置之持續時間自9小時減小至6小時(加上斜率時間),且中間階段處於430℃的溫度經選擇為處置溫度。
因此經修改的溫度型線稍後將被稱作「型線T2」。第9圖中之圖形圖示差異。實例12及13使用PAT1聚合物摻和物來進行。設定壓力對於實例12為大氣壓,且對於實例13為5巴。
實例14
此實例是關於以半連續模式且根據下文更好地指定之「A2」設置管理的熱裂解車間:
- 可能自擠出機傳入聚合物的「設備1」之噴嘴經開啟且連接至用於饋送至少部分處於熔融狀態之實質上塑膠材料至上述熱裂解反應器的設備。PAT2顆粒狀聚合物摻和物最初並未加載至反應器中,如先前圖示的實例1至13中進行一般。PAT2顆粒狀聚合物摻和物替代地饋送至重力饋送器的料斗中,該重力饋送器為擠出機進行饋送。擠出機螺桿之速度經調整以確保擠出機料斗保持為空的(「空的螺桿」)。重力饋送器之流動速率經調整,使得維持於430℃之反應器位準等於反應器之總容積的40%。脫離擠出機之聚合物之體積流動速率藉由使設定於施配器上之質量流動速率除以熔融聚合物之密度來計算。在開始饋送實質上塑膠材料之前,熱裂解反應器之氛圍藉由氮氣作為惰性氣體傳入來插入,如在先前實例中所進行。用於調節離開反應器之氣體流的閥已設定為處於自動調節至經選擇用於測試的值,如在先前實例中進行一般。等待等於6小時的時間以使反應及調整穩定化,在該時間期間關閉氮氣入口。一旦穩定化時間經過之後,駐留時間經量測,藉由使該流動速率除以以熔融狀態饋送之實質上塑膠材料的密度且用於反應器中之容積(總容積的40%,如所提及)來計算,穩定化時間等於約6.3小時。不同於批量實例,不可能的是評估固態殘餘物之質量,直至測試結束時,此是由於實例接續進行而不在一個實例與下一實例之間開啟反應器。因此,未冷凝蒸汽之質量基於可膨脹燒瓶之容積評估,且氣體之密度在存在於燒瓶中之氣體之複合物分析的基礎上計算。反應器中之殘餘固體的質量接著藉由經饋送之實質上塑膠材料之質量與所收集之熱裂解油之質量及因此評估之氣體之質量的總和之間的差來計算:
實例14於在表中指示之壓力下穩定化(藉由相同化合物執行)之第一小時之後使用「PAT2」化合物作為實質上塑膠材料歷時另外2小時且按先前實例收集熱裂解產物進行。
結果
下表依據H/C指數、碳指數及總指數O.I.(總指數,其由H//C指數與碳指數之乘積除以10000來給出)來繪示所達成之產物的C5至C12產率、C21+產率及總數量(「+」,若同時C5至C12產率≥ 30%,且C21 + ≤ 3%):
結果之論述
樣本號 | [#] | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
比較性/本發明 | [-] | 比較性 | 本發明 | 比較性 | 本發明 | 比較性 | 本發明 | 本發明 | 比較性 |
配置 | [#] | A1 | A1 | A1 | A1 | A1 | A1 | A1 | A1 |
型線溫度 | [#] | T1 | T1 | T1 | T1 | T1 | T1 | T1 | T1 |
聚合物化合物 | [-] | PAT1 | PAT1 | PAT2 | PAT2 | PAT3 | PAT3 | PAT4 | PAT4 |
壓力 | [巴] | 大氣壓 | 5 | 大氣壓 | 5 | 大氣壓 | 5 | 大氣壓 | 5 |
H/C指數 | [0至100] | 100 | 100 | 95 | 95 | 83 | 83 | 83 | 83 |
C.I.碳指數 | [0至100] | 86 | 86 | 76 | 76 | 86 | 86 | 77 | 77 |
總指數 | [0至1] | 0.86 | 0.86 | 0.72 | 0.72 | 0.71 | 0.71 | 0.64 | 0.64 |
產率C5至C12 | [wt.%] | 36% | 61% | 34% | 49% | 47% | 58% | 33% | 32% |
產率C21+ | [wt.%] | 3.70% | 0.24% | 22.30% | 2.08% | 3.80% | 0.72% | 2.90% | 10.10% |
THF | [wt.%] | 0.025% | 0.08% | 0.04% | 0.11% | 0.02% | 0.07% | 0.07% | 0.06% |
苯甲酸 | [wt.%] | 0.03% | 0.00% | 0.42% | 0.08% | 1.30% | 1.00% | 2.00% | 2.10% |
異丁烯 | [wt.%] | 0.77% | 0.32% | 0.34% | 0.20% | 0.25% | 0.22% | 0.18% | 0.37% |
產品品質 | [+/-] | - | + | - | + | - | + | + | - |
樣本號 | [#] | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 |
比較性/本發明 | [-] | 本發明 | 發明 | 本發明 | 比較性 | 本發明 | 本發明 |
配置 | [#] | A1 | A1 | A1 | A1 | A1 | A2 |
型線溫度 | [#] | T1 | T1 | T1 | T2 | T2 | T2 |
聚合物化合物 | [-] | PAT5 | PAT5 | PAT5 | PAT1 | PAT1 | PAT2 |
壓力 | [巴] | 3 | 3 | 3 | 大氣壓 | 5 | 5 |
H/C指數 | [0至100] | 90 | 90 | 90 | 100 | 100 | 95 |
C.I.碳指數 | [0至100] | 81 | 81 | 81 | 86 | 86 | 76 |
總指數 | [0至1] | 0.729 | 0.729 | 0.729 | 0.86 | 0.86 | 0.72 |
產率C5至C12 | [wt.%] | 47% | 49% | 48% | 33% | 55% | 50% |
產率C21+ | [wt.%] | 2.61% | 2.72% | 2.80% | 4.10% | 0.90% | 2.50% |
THF | [wt.%] | 0.05% | 0.05% | 0.04% | n.d. | n.d. | n.d. |
苯甲酸 | [wt.%] | 1.00% | 1.05% | 0.90% | n.d. | n.d. | n.d. |
異丁烯 | [wt.%] | 0.28% | 0.26% | 0.27% | n.d. | n.d. | n.d. |
產品品質 | [+/-] | + | + | + | - | + | + |
本發明之目標中之一者為解決是關於實質上塑膠材料之熱裂解的臨界狀態,同時維持熱裂解產物的高品質,該等實質上塑膠材料在複合物上極大地發生變化。
PAT1、PAT2、PAT3及PAT4化合物因此經選擇以在傳入原始材料經歷重要改變時評估最佳合適熱裂解條件:
- PAT1僅僅由乙烯類聚合物(聚乙烯及聚丙烯)製成;
- PAT2包括大數量的纖維素(20.2%)
- PAT3含有大數量的聚苯乙烯(27%)
- PAT4含有高數量的聚對苯二甲酸乙二酯(PET) (26.5%)。
進行之實驗繪示,不存在對於傳入原始材料之所有複合物關於本發明之該目標為最佳的處理條件。
詳言之,非常清楚的是,在存在高H/C指數且高碳指數之處,非常有利的是以高於大氣壓的壓力進行熱裂解:相較於大氣壓下進行之實例1 (比較性),在以5巴進行的實例2中,C5至C12的產率幾乎加倍,又將非所要部分C21或以上(C21+)的產率自3.7減小至0.24%。
根據本發明之比較性實例3及實例4繪示使用具有類似於實例1及2之H/C指數但具有減小之碳指數(自86至76)之原始材料時的壓力效應。又在此狀況下,在高壓下操作熱裂解中存在顯著優勢,即使優勢被減小(C5至C12產率自34%變至49%,而C21+產率自22.3降低至2.1%)。
根據本發明之比較性實例5及實例6繪示在具有實質等於實例1之碳指數的原始材料經使用時且2 (在兩個狀況下為86)但具有H/C指數之顯著減小(自100至83)的壓力效應。又在此狀況下,在高壓下操作熱裂解中存在顯著優勢,即使優勢被減小(C5至C12產率自47%變至58%,而C21+產率自3.8%降低至0.7%)。
根據本發明之比較性實例7及實例8繪示使用具有實質等於用於實例3及4中之低值之碳指數(77,非常靠近於實例3及4之值76)且具有實質等於用於實例5及6 (兩種狀況下為83)中之低值之H/C指數的原始材料時的壓力效應。令人滿意地,在此狀況下,不存在增大熱裂解壓力上的優勢:C5至C12的產率實際上保持為實質恆定的(若並非自33%減小至32%)。然而,非常重要的是注意到,C21+產率已驚人地自2.9%升高至10%以上。因此,明顯的是,雖然對於一些原始材料混合物有利的是在高壓下操作,但對於其他原始材料混合物有利的是不在高壓下操作。
此外,甚至關於獲得等於至少30%之C5至C12產率,甚至更佳地至少40%且同時等於至多3%之C21且以上(C21+)之產率的較佳目標,明顯的是,使用高壓力系統使得有可能僅在一些條件(PAT1、PAT2、PAT3)下達成此目標,而在其他(PAT4)狀況下方便的是保持系統處於較低壓力。
自申請人首先注意到的此證據,機會出現以根據實質上塑膠饋送材料之複合物調適處理條件。如先前所提及,由於此化合物在處理期間(尤其在此是以半連續或連續模式進行時)可發生變化,因此本發明之處理有利地允許在熱裂解期間調整壓力,且因此隨著進入熱裂解之原始材料發生變化而能夠使結果最大化;較佳地,本發明之處理亦能夠藉由使熱裂解壓力發生變化而達成如下較佳目標:獲得至少30%,更佳地至少40%的C5至C12產率且同時獲得等於至多3%的C21及以上(C21+)的產率。
相較於熱裂解處理在等於C.I.指數乘以H/C指數除以10000)的總指數結果大於或等於0.7時在等於至少臨限壓力PS之壓力下進行且在總指數小於0.7時在低於該臨限壓力PS的壓力下進行的甚至更佳模式中,應注意到,使用此準則已使得有可能獲得詳言之對於2.0與2.9巴之間的該壓力值隨著時間使C5部分至C12部分最大化同時使C21+產率最小化的產物生產。
實際上,藉由在本發明之實例1至11中應用此準則,獲得C5至C12之等於至少30%的產率,且同時獲得C21及以上(C21+)的等於至多3%的產率。
此外,所獲得之熱裂解油中之C21+部分不大於3.5%,正如熱裂解油中C5至C12部分為至少35%。
本發明之處理證明為高度可重複的,如實例9至11中所繪示。
實例12及13亦繪示,符合本發明之教示內容的類似結果亦可藉由使用不同熱型線來獲得。
令人滿意地,本發明之處理已使得有可能在批量模式(實例4)且在半連續模式(實例14)兩者中進行實質上塑膠材料之熱裂解而不顯現管理或污垢問題且具有C5至C12的高產率且C21及更高部分的減小之產率,該實質上塑膠材料具有具低碳含量、具有甚至低於80之碳指數且具有高氧含量的極高數量之聚合物/材料,詳言之具有20%以上纖維素的實質上塑膠材料。
1:光源
2:光譜分析器
3:溫度讀取器
11:入口
12:出口
13:積體可抽取式裝置
14:主體
15:訊窗
16:中心空腔
17:中空主體
21:光學纖維
22:光學纖維
23:熱電偶
51:輔助氣態流體
52:熱裂解
53:固態殘餘物
54:實質上塑膠材料
55:部分傳回
56:發送
57:蒸汽
58:蒸汽
59:殘餘氣體
60:冷凝物
61:第二冷凝物
62:冷凝出口/冷凝流體/第三冷凝物
70:熱裂解反應器
71:第二反應器
72:可選調節閥/第一壓力控制裝置
73:第一冷凝器
74:第二冷凝器
75:冷凝分離器/氾流冷凝器
76:第二裝置
77:可選調節閥
78:調節閥
80:壓力信號
81:設定點
83:位準信號
84:調節裝置/開度指示
85:調節裝置/信號
86:調節裝置/設定點指示
87:調節裝置
LIC:位準控制器
LT:位準感測器
PS:壓力設定點
PIC:壓力控制器
第1圖繪示實質上塑膠材料流動所在的空腔,該空腔包括積體裝置,該積體裝置包含能夠發射光之探針、與該探針光學耦接之偵測系統及用於偵測由該光照射之實質上塑膠材料之溫度的熱電偶;
第2圖繪示該積體可抽取裝置的實施例實例;
第3圖繪示針對部分最小平方(Partial Least Square,PLS)迴歸的校準曲線「Cx」之預測性能力,校準曲線「Cx」對應於性質「Px」碳指數及H/C指數(H/C指數)的性質,其中:
- 在橫座標中繪示所使用之主組份的數目(NC)
- 在縱座標中繪示交叉驗證之均方誤差(RMSECV,交叉驗證中的均方誤差);量測單位為對應於性質「Px」的單位(H/C指數在聚乙烯/聚丙烯的狀況下為100);
第4圖繪示針對經檢驗之51個樣本材料的「Cx」校準曲線之預測性能力,該校準曲線對應於「Px」 H/C指數性質(H/C指數);存在幾乎重疊點,使得在圖中,看起來存在少於51個點,其中「真實」H/C值繪示於橫座標中,即由主要分析判定的橫座標;且在縱座標中,存在藉由對應校準曲線「Cx」計算的H/C值;
第5圖繪示針對經檢驗之51個樣本材料的「Cx」校準曲線之預測性能力,該校準曲線對應於「Px」碳指數性質;
第6圖繪示在樣本材料之不同溫度下對樣本材料M48進行的某吸收光譜,其中波數在橫座標中報告(以cm
-1計),而吸收率在縱座標中報告;
第7圖示意性地繪示根據本發明的設備,該設備用於熱裂解實質上塑膠材料以至少獲得在25℃下處於液相的烴類;
第8圖繪示根據本發明之分裂範圍控制模式的實施例;
第9圖繪示相對於在實例之熱裂解處理中使用的兩個溫度型線T1及T2的溫度對時間。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記)
無
國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記)
無
51:輔助氣態流體
52:熱裂解
53:固態殘餘物
54:實質上塑膠材料
55:部分傳回
56:發送
57:蒸汽
58:蒸汽
59:殘餘氣體
60:冷凝物
61:第二冷凝物
62:冷凝出口/冷凝流體/第三冷凝物
70:熱裂解反應器
71:第二反應器
72:可選調節閥/第一壓力控制裝置
73:第一冷凝器
74:第二冷凝器
75:冷凝分離器/氾流冷凝器
76:第二裝置
80:壓力信號
Claims (22)
- 一種用於熱裂解實質上塑膠材料以至少獲得在25℃下處於液相的烴類的處理,該處理包含以下步驟: a) 饋送至少部分處於熔融狀態的一實質上塑膠材料至一熱裂解反應器; b) 在線上模式情況下使饋送至一熱裂解反應器之至少部分處於該熔融狀態的該實質上塑膠材料經受至少一個分析量測「Ax」; c) 藉助於該至少一個分析量測「Ax」與自具有該性質「Px」之一已知值之樣本材料獲得之至少一個校準曲線「Cx」的相關判定該實質上塑膠材料之至少一個性質「Px」的該值; d) 基於該至少一個「Px」性質之該值來設定該熱裂解處理的至少一個「Ox」參數;該處理由以下事實來表徵:該至少一個分析量測「Ax」提供或存在於至少部分處於該熔融狀態之該實質上塑膠材料之光的反射光譜之量測, 且由如下事實來表徵:該實質上塑膠材料之該至少一個性質「Px」為H/C指數及/或碳指數,其中該碳指數及該氫/碳比率(H/C指數)根據以下公式來計算: 其中該等原子之該等重量為整體上指示於該實質上塑膠材料中之該等原子的該重量。
- 如請求項1所述之用於熱裂解實質上塑膠材料的處理,其中該至少一個分析量測「Ax」與該熱裂解處理之該至少一個參數「Ox」之設定之間的潛伏時間不大於1小時,或不大於10分鐘,或介於1與60秒之間。
- 如請求項1至2中任一項所述之用於熱裂解實質上塑膠材料的處理,其中該實質上塑膠材料之至少一個性質「Px」的該值之該判定藉助於該分析量測「Ax」與藉由獲取具有該至少一個性質「Px」之一已知值的塑膠材料之複數個模型吸收率獲得的該分析量測之間的一相關來進行。
- 如請求項1至2中任一項所述之用於熱裂解實質上塑膠材料的處理,其中該熱裂解處理之該至少一個參數「Ox」是選自該熱裂解反應器之壓力、該熱裂解反應器之溫度、饋送至該熱裂解反應器之該實質上塑膠材料的流動速率、該熱裂解反應器中該實質上塑膠材料的駐留時間,及該等參數的一組合。
- 如請求項4所述之用於熱裂解實質上塑膠材料的處理,其中該熱裂解處理之該至少一個參數「Ox」為該熱裂解反應器的該壓力。
- 如請求項3所述之用於熱裂解實質上塑膠材料的處理,其中該熱裂解處理之該至少一個參數「Ox」藉助於界定如下之是「總指數」(O.I.)之一函數的一表達式來判定: 其中C.I.為該碳指數,且H/C指數為該H/C指數。
- 如請求項6所述之用於熱裂解實質上塑膠材料的處理,其中該壓力在該「總指數」(O.I.)大於或等於0.7時設定為至少一臨限壓力PS,且在該「總指數」(O.I.)小於0.7時設定為低於該壓力臨限值的一壓力,且其中較佳地該臨限壓力PS是至少1.5巴,甚至更佳地介於2與2.9巴之間,詳言之2.5巴。
- 一種用於判定一實質上塑膠材料之至少一個性質「Px」之值的方法,該方法包括以下步驟: i) 針對該至少一個性質「Px」中之每一者計算一校準曲線「Cx」,對於具有該性質「Px」之一已知值的樣本材料,該校準曲線「Cx」使反射光譜與該性質「Px」相關; ii) 進行該實質上塑膠材料之該反射光譜的至少一個量測「Ax」; iii) 藉助於該至少一個量測「Ax」與該至少一個校準曲線「Cx」的一相關判定該實質上塑膠材料之該至少一個性質「Px」的該值; 且該方法特性在於,在反射光譜量測條件下,該實質上塑膠材料關於該實質上塑膠材料之總重量按重量計至少60%或按重量計介於70%與99%之間或按重量計介於80%與94%之間的該材料處於該熔融狀態, 且由如下事實來表徵:該實質上塑膠材料之該至少一個性質「Px」為H/C指數及/或碳指數,其中該碳指數及該氫/碳比率(H/C指數)根據以下公式來計算: 其中原子之該等重量為整體指示於該實質上塑膠材料中之該等原子的該重量。
- 如請求項8所述之用於判定至少一個性質「Px」之值的方法,其中該實質上塑膠材料在該等反射光譜量測條件下具有介於140與300℃之間或160與260℃之間的一溫度。
- 如請求項8或9所述之用於判定至少一個性質「Px」之值的方法,其中該實質上塑膠材料在該等反射光譜量測條件下,其具有不小於2巴或介於3與300巴之間的一壓力。
- 如請求項8至9中任一項所述之用於判定至少一個性質「Px」之值的方法,其中至少一個性質「Px」為至少二。
- 如請求項8至9中任一項所述之用於判定至少一個性質「Px」之值的方法,其中步驟ii)中獲取之該實質上塑膠材料的該反射光譜是在4000與12000 cm -1的範圍內,或是在4500至10000 cm -1的範圍內,或是在5000至9000 cm -1的範圍內。
- 如請求項8至9中任一項所述之用於判定至少一個性質「Px」之值的方法,其中該校準曲線「Cx」藉由應用一多變數迴歸方法來獲得。
- 如請求項13所述之用於判定至少一個性質「Px」之值的方法,其中該多變數迴歸在多元線性迴歸(MLR)、主成分分析迴歸(PCR)及部分最小平方迴歸(PLS)之間做出選擇。
- 如請求項14所述之用於判定至少一個性質「Px」之值的方法,其中該多變數迴歸是主成分分析(PCR)迴歸或部分最小平方(PLS)迴歸。
- 如請求項15所述之用於判定至少一個性質「Px」之值的方法,其中該校準曲線「Cx」第一次自5至15個主成分進行計算,或第一次自8至11個主成分進行計算。
- 如請求項15所述之用於判定至少一個性質「Px」之值的方法,其中該校準曲線「Cx」藉由在不同溫度條件對該樣本材料進行該量測來獲得。
- 如請求項16所述之用於判定至少一個性質「Px」之值的方法,其中該校準曲線「Cx」亦包括該樣本材料之該溫度作為一變數。
- 一種用於判定至少部分處於熔融狀態之一實質上塑膠材料之至少一個性質「Px」之值的設備,其中該實質上塑膠材料之該至少一個性質「Px」為H/C指數及/或碳指數,其中該碳指數及該氫/碳比率(H/C指數)根據以下公式來計算: 其中原子之該等重量為整體指示於該實質上塑膠材料中之該等原子的該重量,其中該設備包括: 1) 一空腔,在該空腔中該實質上塑膠材料可滑動,該空腔具備用於至少部分處於該熔融狀態之該實質上塑膠材料的一入口及一出口; 2) 能夠在該空腔中發射光的至少一個探針; 3) 至少一個偵測系統,其與該探針光學耦接從而偵測經反射光且判定至少一個分析量測「Ax」; 4) 連接至該空腔的用於讀取溫度之至少一個感測器, 5) 一系統,其用於藉由使該至少一個分析量測「Ax」與自具有該「Px」性質之一已知值之樣本材料獲得之至少一個校準曲線「Cx」相關來判定至少部分處於該熔融狀態之該實質上塑膠材料之該至少一個性質「Px」, 其中該空腔能夠耐受至少50巴或介於80巴與300巴之間的一壓力。
- 如請求項19所述之用於判定至少一個性質「Px」之值的設備,其中用於該溫度讀取之該感測器經置放,使得溫度讀取區域與該反射光譜經量測所在之區域之間的最小距離不大於100 mm,或不大於30 mm,或不大於3 mm。
- 如請求項19或20所述之用於判定至少一個性質「Px」之值的設備,其中與該探針光學耦接之該至少一個偵測系統經定位,使得該探針之發射區域與該發射之該偵測區之間的最小距離不大於50 mm,或不大於15 mm,或不大於3 mm。
- 如請求項19至20中任一項所述之用於判定至少一個性質「Px」之值的設備,其中該空腔是一擠出機料筒的一部分,或一輸送螺桿的一部分或至一熱裂解反應器之一連接管道區段。
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