РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ

(19) RU (11) 227 600 (13) U1 (51) МПК B09B 3/70 (2022.01)

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ПЛАСТИКОВЫХ ОТХОДОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИОЛЕФИНОВ

Полезная модель относится к области переработки пластиковых отходов и может быть использована для осуществления химической переработки пластиковых отходов на основе полиэтилена низкой плотности, полиэтилена высокой плотности, полипропилена и смесей указанных полимеров в произвольном соотношении.

Наиболее близким к заявляемому является устройство, описанное в патенте US 11220586 B2. Авторы патента утверждают, что это известное устройство позволяет проводить химическую переработку отходов на основе полиэтилена, в ходе которой полиэтилен и окислительный агент из следующего ряда: кислород (O₂), монооксид азота (NO), оксид диазота (N₂O), диоксид азота (NO₂), азотная кислота (HNO₃), водный раствор азотной кислоты (HNO₃) или их сочетание помещают в реактор для переработки, процесс переработки проводят при температурах 60-200°С и давлении от 1 до 69 атм (1000 psi) в результате чего продуктом переработки является набор дикарбоновых кислот. В качестве примеров реактора для переработки пластика авторами указаны опционально работающие под давлением реакторы и автоклавы производства компаний Parr Instrument Company, Amar Equipment, Buchiglas и Berghof. Указанное устройство имеет ряд недостатков. Недостатком этого известного устройства является невозможность безопасной работы со сжатым кислородом в качестве окислительного агента при высоком давлении. Авторы патента US 11220586 B2 утверждают возможность работы устройства при давлении до 69 атм (1000 psi). Хотя стекло, как материал элементов реактора, и стабильно к действию сжатого кислорода в качестве окислительного агента, стеклянные реакторы производства указанных компаний не позволяют работать с давлениями выше 10 атм. Металлические реакторы производства указанных компаний не обеспечивают безопасную работу со сжатым кислородом в качестве окислительного агента в указанном диапазоне давлений до 69 атм. При работе с такими реакторами со сжатым кислородом в указанном диапазоне давлений оказывается возможным прогорание под действием сжатого кислорода металлических элементов реактора и, как следствие, последующий взрыв реактора. Действительно, критическое давление кислорода составляет около 50 атм. При больших давлениях кислород находится в реакторе в сверхкритическом состоянии. Типичный реактор, объемом один литр, содержащий, например, сверхкритический кислород при 25 С и 60 атм, содержит 82 грамма или 2.57 молей кислорода, что достаточно для сжигания эквимольного количества такого, например, металла, как титан, широко используемого для производства элементов реактора. Химически активные продукты переработки пластика включают кислоты, которые могут нарушить защитную оксидную пленку металла, например, титана, после чего наступает контакт чистого металла с чистым кислородом и металл, в частности, титан, воспламеняется и прогорает. Это означает, что оказывается возможным прогорание в сверхкритическом кислороде металла элемента реактора в количестве указанного числа молей титана, что соответствует 123 граммам или 27 кубическим сантиметрам металла. В результате оказывается возможным прожигание в боковой стенке реактора каверны с характерным латеральным размером 3 сантиметра, что приведет к разрушению боковой стенки и взрыву реактора. Такие же проблемы возникают при использовании элементов реактора из иных металлов и сплавов, нестабильных к горению в сжатом кислороде. Таким образом, важным недостатком оказывается отсутствие взрывобезопасности известного устройства и невозможность регулирования давления кислорода в декларируемом авторами патента US 11220586 B2 широком диапазоне.

Кроме того, другим недостатком этого известного устройства является то, что проведение процесса при заявленных авторами патента US 11220586 B2 рабочей температуре и давлении прототипа приводит к тому, что оказывается возможной переработка отходов только на основе полиэтилена, а продуктом неселективной переработки, без возможности регулирования типа продукта, является только смесь дикарбоновых кислот, имеющих ограниченное применение в химической промышленности.

Таким образом, технической проблемой является отсутствие взрывобезопасности известного устройства, невозможность регулирования давления кислорода в широком диапазоне и, как следствие, невозможность регулирования типа продукта переработки пластика, а также невозможность повышения селективности и эффективности переработки.

Технической задачей, на решение которой направлена раскрываемая полезная модель, является химическая переработка пластиковых отходов на основе полиолефинов, позволяющая взрывобезопасно перерабатывать пластиковые отходы на основе полиэтилена высокой плотности, полиэтилена низкой плотности и полипропилена, селективно и эффективно получая в результате переработки низкомолекулярные химические вещества, используемые в химической промышленности, с возможностью регулирования типа продукта.

Технический результат работы полезной модели обусловлен возможностью взрывобезопасной работы со сжатым кислородом в качестве окислительного агента, в том числе сверхкритическим кислородом, в широком диапазоне давлений и состоит во взрывобезопасной селективной переработке пластиковых отходов указанного состава в низкомолекулярные химические соединения, широко используемые в химической промышленности, с возможностью регулирования типа продукта. В частности, технический результат достигается для пластиковых отходов на основе полиолефинов: полиэтилена высокой плотности, полиэтилена низкой плотности, полипропилена или смесей указанных полимеров в любых соотношениях. В частности, возможным техническим результатом работы полезной модели является взрывобезопасная переработка пластиковых отходов указанного состава в пастообразные олигомерные продукты, которые могут быть использованы в качестве смазочных материалов. В частности, другим возможным техническим результатом работы полезной модели является взрывобезопасная переработка пластиковых отходов указанного состава в жидкую смесь монокарбоновых кислот с преобладанием уксусной кислоты, причем указанная смесь может быть использована в химической промышленности для извлечения и использования уксусной кислоты или ее производных. В частности, другим возможным техническим результатом работы полезной модели является взрывобезопасная переработка пластиковых отходов указанного состава в пористый и/или дисперсный углеродный материал. При этом тип получаемого продукта определяется температурой, давлением и степенью загрузки реактора пластиковыми отходами и кислородом. Главным образом, возможность регулирования типа продукта переработки обусловлена возможностью выбора давления сжатого кислорода в качестве окислительного агента в широком диапазоне, что невозможно в устройстве-прототипе из-за отсутствия взрывобезопасности. Возможность выбора давления сжатого кислорода в широком диапазоне также позволяет повысить селективность и эффективность процесса. Взрывобезопасность работы устройства обусловлена взрывобезопасностью реактора для переработки и обеспечивается выбором стабильного металла элементов реактора, контактирующих со сжатым кислородом, и выбором надлежащей толщины стенок реактора. В частности, указанные элементы реактора могут быть выполнены из сортов латуни, отличающихся стабильностью к горению в сжатом кислороде. В частности, указанные элементы реактора могут быть выполнены из сортов бронзы, отличающихся стабильностью к горению в сжатом кислороде. В частности, указанные элементы реактора могут быть выполнены из жаропрочной стали с покрытием серебром, что повышает стабильность композита к горению в сжатом кислороде. Может быть сделан иной, очевидный для специалиста, выбор материала, стабильного к горению в сжатом кислороде, для выполнения стенок реактора. В частности, толщину стенок элементов реактора рассчитывают увеличенной, с учетом требования взрывобезопасности реактора, содержащего сжатый кислород.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами:

на фиг 1. представлена схема устройства согласно настоящей полезной модели.

Устройство подключено к баллону со сжатым кислородом (1) и газовым редуктором (2) и содержит: взрывобезопасный реактор для переработки (3), рабочее давление кислорода в котором может достигать 250 атм и диапазон рабочих температур которого составляет 20-200°С, снабженный механическим перемешивающим элементом (4), приводимым в действие гидравлической станцией (6) и нагревательным элементом, дополнительно снабженный манометром для контроля давления (5), электронную систему управления установкой (7), которая подключается к персональному компьютеру (8).

Технический результат достигается тем, что необходимое количество пластиковых отходов (от 0,1 кг до 5 кг) помещают во взрывобезопасный реактор для переработки (3). Дополнительно в реактор для переработки можно поместить желаемое количество катализатора (от 1 г до 1000 г) и желаемое количество воды (от 0,1 кг до 5 кг). Затем реактор для переработки герметично закрывают и наполняют сжатым кислородом при помощи баллона с кислородом под давлением (1) и редуктора (2) до давления кислорода при комнатной температуре в диапазоне от 5 атм до 100 атм. При превышении давления кислорода значения 50 атм кислород в реакторе является сверхкритическим. Сверхкритический кислород под высоким давлением ускоряет кинетику процесса переработки, повышает эффективность процесса и выход продукта. Давление в реакторе для переработки измеряют при помощи манометра (5). Реактор для переработки нагревают до рабочей температуры, которая, как правило, лежит в диапазоне от 100°С до 250°С. Давление кислорода в реакторе для переработки при рабочей температуре составляет от 6 до 250 атм. После достижения реактором рабочей температуры, опционально осуществляют перемешивание содержимого реактора при помощи механического перемешивающего элемента (4), приводимого в действие гидравлической станцией (6). Контроль температуры нагрева и работы механического перемешивающего элемента осуществляют при помощи электронной системы управления устройством (7), с возможностью подключения электронной системы управления устройством к персональному компьютеру (8). По завершении процесса реактор охлаждают, декомпрессируют и извлекают продукты переработки.

Взрывобезопасность реактора достигается надлежащим выбором материалов элементов реактора, отличающихся стабильностью к горению в кислороде, и увеличенной толщиной стенок реактора.

Действительно, для достижения технического результата в плане взрывобезопасной работы реактора со сжатым нагретым кислородом, в том числе сверхкритическим кислородом, необходим надлежащий выбор металла для его элементов, контактирующих с кислородом. В частности, руководством для выбора металла является его способность быть подверженным кислородной резке металлов, коррелирующая с электрохимическим рядом напряжений металлов: большей стабильностью к окислению и к кислородной резке металлов, а значит, как следствие, с тенденцией к взрывобезопасному контакту со сверхкритическим кислородом в качестве металла стенки реактора, обладают металлы, стоящие в электрохимическом ряду напряжений металлов правее железа. В частности, этому критерию удовлетворяет медь и те ее сплавы, где она является доминирующим компонентом (латунь, бронза), а также серебро, что оправдывает использование серебряного покрытия на стали, однако, в частности, этому критерию не удовлетворяет титан, как проиллюстрировано примерами осуществления полезной модели и сравнительным примером ниже.

Еще одним критерием достижения технического результата является расчет надлежащей толщины стенок на прочность, что осуществляется по методу конечных элементов, руководствуясь Федеральным законом №116 "О промышленной безопасности опасных производственных объектов" и Приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 25 марта 2014 г. №116 "Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности "Правила промышленной безопасности опасных производственных объектов, на которых используется оборудование, работающее под избыточным давлением"". Такой расчет показывает необходимость выполнения стенок реактора из стали толщиной 0,15 от диаметра реактора для работы при давлениях до 300 атм. Для минимизации вероятности взрыва при работе со сверхкритическим кислородом целесообразно выбирать толщину стенок 0,15 от диаметра реактора для давлений сжатого газообразного или сверхкритического кислорода до 100 атм и выбирать увеличенную толщину стенок не менее 0,2 от диаметра реактора для давлений сверхкритического кислорода до 250 атм.

Регулирование типа продукта переработки и повышение селективности и эффективности его выхода достигается выбором рабочего режима температуры и давления в устройстве для переработки.

В частности, режим работы устройства для химической переработки пластиковых отходов на основе полиолефинов при давлении сжатого кислорода в реакторе 15-25 атм и температуре рабочей зоны реактора 130°С позволяет получать продукт химической переработки в виде пасты. Подбором количества пластиковых отходов удается регулировать свойства получаемой пасты, такие как вязкость и температура застывания.

В частности, режим работы устройства для химической переработки пластиковых отходов на основе полиолефинов при давлении сжатого кислорода в реакторе 50-70 атм и температуре рабочей зоны реактора 150°С и с добавлением в реактор воды позволяет получать продукт переработки, который представляет собой водный раствор монокарбоновых кислот, основным компонентом которого является уксусная кислота, другими компонентами являются муравьиная кислота, пропионовая кислота, валериановая кислота. Подбором рабочего давления сжатого кислорода в реакторе при переработке и количеств пластиковых отходов и воды удается повысить селективность процесса с доминированием уксусной кислоты в качестве основного продукта переработки.

В частности, режим работы устройства для химической переработки пластиковых отходов на основе полиолефинов при давлении сжатого кислорода в реакторе 240-250 атм и температуре 200°С позволяет получать продукт переработки, который представляет собой пористый углеродный материал.

Таким образом, взрывобезопасная работа со сжатым кислородом, в том числе сверхкритическим кислородом, позволяет выбором условий экспозиции, в первую очередь - давления, регулировать тип получаемого продукта и повысить селективность и эффективность процесса переработки пластиковых отходов.

Возможность осуществления полезной модели подтверждена следующими примерами.

Пример 1. Реактор устройства для химической переработки пластиковых отходов выполнен из безоловянной бронзы марки БраЖН и имеет отношение толщины стенки реактора к диаметру реактора 0,15. В такой реактор объемом 10 мл помещают 0,15 г полипропилена, а также 1 г уксусной кислоты и проводят переработку при давлении сверхкритического кислорода 90 атм и температуре рабочей зоны реактора 150°С. В ходе переработки в течение 24 ч взрыва реактора не происходит. Продуктом переработки является водный раствор монокарбоновых кислот, основным компонентом которого является уксусная кислота, другими компонентами являются муравьиная кислота, пропионовая кислота, валериановая кислота.

Пример 2. Реактор устройства для химической переработки пластиковых отходов выполнен из жаропрочной стали с покрытием серебром и имеет отношение толщины стенки реактора к диаметру реактора 0,15. В такой реактор объемом 10 мл помещают 0,15 г полипропилена, а также 1 г уксусной кислоты и проводят переработку при давлении сверхкритического кислорода 90 атм и температуре рабочей зоны реактора 150°С. В ходе переработки в течение 24 ч взрыва реактора не происходит. Продуктом переработки является водный раствор монокарбоновых кислот, основным компонентом которого является уксусная кислота, другими компонентами являются муравьиная кислота, пропионовая кислота, валериановая кислота.

Пример 3. Реактор устройства для химической переработки пластиковых отходов выполнен из безоловянной бронзы марки БраЖН и имеет отношение толщины стенки реактора к диаметру реактора 0,15. В такой реактор объемом 10 мл помещают 0,15 г полипропилена, а также 1 г воды и проводят переработку при давлении сверхкритического кислорода 60 атм и температуре рабочей зоны реактора 150°С. В ходе переработки в течение 24 ч взрыва реактора не происходит. Продуктом переработки является водный раствор монокарбоновых кислот, основным компонентом которого является уксусная кислота, другими компонентами являются муравьиная кислота, пропионовая кислота, валериановая кислота.

Пример 4. Идентичные переработки в условиях Примера 1 повторяют многократно, суммарно не менее 40 раз. Взрыва реактора в такой серии переработок также не происходит. После серии переработок не наблюдается никаких видимых следов коррозии на элементах реактора.

Пример 5. Проводят расчет на прочность по методу конечных элементов толщины реактора так, чтобы реактор допускал рабочее давление в 300 атм. При расчете на прочность руководствуются Федеральным законом №116 "О промышленной безопасности опасных производственных объектов" и Приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 25 марта 2014 г. №116 "Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности "Правила промышленной безопасности опасных производственных объектов, на которых используется оборудование, работающее под избыточным давлением"". По результатам расчета определяют, что отношение толщины стенки реактора из аустенитной нержавеющей стали к диаметру реактора должно составлять 0,15. В целях повышения взрывобезопасности реактор устройства для химической переработки пластиковых отходов выполняют из аустенитной нержавеющей стали Х18Н10Т с увеличенной толщиной стенки 44 мм при внешнем диаметре 217 мм. Таким образом, отношение увеличенной толщины стенки реактора к диаметру реактора составляет 0,2, что превышает требуемое значение 0,15. Тем самым, толщина стенки является увеличенной в сравнении с Примерами 1-3. В такой реактор объемом 8 л помещают 1 кг полипропилена и проводят переработку при давлении сверхкритического кислорода 250 атм и температуре рабочей зоны реактора 200°С. В ходе переработки в течение 24 ч взрыва реактора не происходит, после переработки не наблюдается видимых следов коррозии или иных повреждений на элементах реактора. Продуктом переработки является монолитный пористый углеродный материал.

Сравнительный пример 1. Реактор устройства для химической переработки пластиковых отходов имеет рубашку из титана и имеет отношение толщины стенки реактора к диаметру реактора 0,15. Реактор позиционируется производителем как взрывобезопасный при работе при давлениях до 300 атм. Реакторы такого типа используются нами на протяжении 25 лет и продемонстрировали взрывобезопасную работу при давлениях до 300 атм с инертным сверхкритическим диоксидом углерода суммарно не менее, чем в 1000 экспериментов. В такой реактор помещают 0,15 г полипропилена, а также 1 г уксусной кислоты в качестве ингибитора побочных реакций для повышения селективности ее выхода и проводят переработку при давлении сверхкритического кислорода 90 атм и температуре рабочей зоны реактора 150°С, т.е. в условиях Примера 1. Процесс переработки приводит к взрыву с образованием каверны в титановой рубашке реактора диаметром 10 мм. Как показывает post mortem анализ, образование каверны происходит вследствие нарушения уксусной кислотой защитной оксидной пленки титана, которое приводит к реакции поверхности металлического титана с кислородом с быстрым прогоранием титана на всю толщину стенки рубашки реактора и с последующей разгерметизацией реактора взрывом.

Формула полезной модели

1. Устройство для химической переработки пластиковых отходов на основе полиолефинов, включающее реактор для переработки пластиковых отходов, выполненный с возможностью соединения с баллоном с кислородом под давлением, элемент нагрева реактора для переработки пластиковых отходов, механический перемешивающий элемент для пластиковых отходов, расположенный внутри реактора для переработки пластиковых отходов, приводимый в действие гидравлической системой, манометр для контроля давления внутри реактора для переработки пластиковых отходов, электронную систему управления устройством для химической переработки пластиковых отходов, отличающееся тем, что взрывобезопасная конструкция реактора для переработки пластиковых отходов обусловлена выбором материалов элементов реактора, стабильных к горению в сжатом кислороде, и выбором толщины стенок реактора с учетом результатов расчета на прочность.

2. Устройство для химической переработки пластиковых отходов на основе полиолефинов по п. 1, отличающееся тем, что толщина стенок реактора составляет 0,15 от диаметра реактора для давлений сверхкритического кислорода до 100 атм.

3. Устройство для химической переработки пластиковых отходов на основе полиолефинов по п. 1, отличающееся тем, что толщина стенок реактора составляет 0,2 от диаметра реактора для давлений сверхкритического кислорода до 250 атм.

4. Устройство для химической переработки пластиковых отходов на основе полиолефинов по пп. 1–3, отличающееся тем, что материалы элементов реактора выполнены из бронзы.

5. Устройство для химической переработки пластиковых отходов на основе полиолефинов по пп. 1–3, отличающееся тем, что материалы элементов реактора выполнены из латуни.

6. Устройство для химической переработки пластиковых отходов на основе полиолефинов по пп. 1–3, отличающееся тем, что материалы элементов реактора выполнены из жаропрочной стали с покрытием серебром.

7. Устройство для химической переработки пластиковых отходов на основе полиолефинов по пп. 1–3, отличающееся тем, что материалы элементов реактора выполнены из сочетания бронзы, латуни и жаропрочной стали с покрытием серебром.