将含有聚合物的材料转化为石油产品的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年8月10日提交的美国申请第14/455,927号的权益，该申请的全文通过引用纳入本文。

背景技术：

传统技术涉及将含有聚合物的材料如塑料转化为石油产品，包括原油。不幸的是，传统技术受限于相对较低的原油和柴油产率，较低的通量，较高的运行成本和较高的资本支出。

发明概述

本发明的实施方式突破了其他技术的一些限制。在一些实施方式中，使用的反应器、系统和方法得到了较高的原油和柴油的产率，更快的吞吐速率，更低的运行成本和更低的资本支出。具体来说，重点是生产尽可能多的柴油质量的油，以及通过确保理想的反应时间来最小化其他技术产生的蜡，并且为低碳链提供更多的时间发展成为柴油。此外，反应器的实施方式允许更短的反应时间，其导致在每分钟、每小时和每天中将更多的含聚合物的材料转化成形成石油产品的蒸气。此外，设计反应器的实施方式，从而所述处理可连续运行24小时/天，7天/周，从而提高或最大化产出。在一些实施方式中，意图使整个系统尽可能地自动化，从而需要最少的介入，从而仅需1-3名员工的少量劳动力。最后，系统的设计，特别是反应器的设计，不需要大量的资本支出来建立。这意味着所述系统的回收周期比其他可供出售的系统短。

在一些实施方式中，本发明包括用于通过含有聚合物的材料的热解和对得到的蒸气的后续冷凝来生产石油产品例如蜡、气体和油的系统和方法。如果需要，根据含有聚合物的材料的组成(如果已知)对所述含有聚合物的材料进行初始预处理。当含有聚合物的材料进入所述系统后，所述材料被预熔融并被移动到反应器主体中，其在反应器主体中经历相似或更高的温度。所述反应器包括一个大致水平的圆柱形主体，所述圆柱形主体在第一端具有入口，在另一端具有至少一个出口，并且其在两端密封(隔绝外部大气)，所述主体偏离水平方向具有倾斜斜率，沿所述主体的一侧或多侧施加外部加热，并且所述反应器包括一个或多个内部旋转螺旋输送器。反应器的主体设计有使所述主体旋转的能力。并且，可以并根据反应的需要而具有改变旋转的主体的每分钟转数的能力

本发明使用的冷凝器包括在工艺中的多个冷凝器，以及附加的冷凝系统。可调节每个冷凝器中的压力和温度，从而生产不同百分比的石油产品。在一些实施方式中，所述系统包括依次使用或平行使用的多于一个的反应器。附加的反应器可用于附加的含有聚合物的材料和在通过反应器后保持未反应的材料。这允许更高的吞吐速率和更高的产率。

在本发明的一些实施方式中，包括控制机构的使用，这允许了要捕获和监控的系统的不同参数。如果发现某些参数在所需范围之外，可通过使用用户手动调节或通过控制机构自动调节它们。在一些实施方式中，所述系统和方法包括在含有聚合物的材料的原料进入反应器和反应阶段之前处理所述含有聚合物的材料的原料。进行该处理以去除不需要的颗粒，例如灰尘和纤维，并且分离出不需要的含有聚合物的材料。

本发明的实施方式的其它方面和优点会在下文详细说明中结合附图变得显而易见，通过示例方式说明本发明的原理。

附图说明

参考编号的附图显示并描述了本发明的各个实施方式，其中：

图1是本发明的系统的一个实施方式的流程图。

图2是进料器的一个实施方式的示意图。

图3是进料器的一个实施方式的另一示意图。

图4是被输送进入反应器主体的原料的示意图。

图5是被输送进入反应器主体的原料的另一示意图。

图6是进料器的一个实施方式的示意图。

图7是冷凝器的垂直截面的示意图。

图8是具有第二反应器主体的本发明的实施方式的流程图。

图9是显示具有用于加热反应器的蒸气气体产物的本发明的一个实施方式的流程图。

图10是具有一个附加螺旋输送器以去除残留物的反应器主体的后端的示意图。

图11是具有一个不同的螺旋输送器以去除残留物的反应器主体的后端的另一示意图。

图12是反应器主体前端和内部螺旋输送器能如何旋转的实施方式的示意图。

图13是反应器主体前端和内部螺旋输送器能如何反向旋转的实施方式的示意图。

图14是反应器主体前端和内部螺旋输送器能如何围绕所述主体旋转的实施方式的示意图。

图15是反应器主体前端和内部螺旋输送器能如何利用刮板旋转的实施方式的示意图。

图16是反应器主体前端和两个内部反向旋转螺旋输送器能如何工作的实施方式的示意图。

图17是反应器主体前端和两个内部反向旋转螺旋输送器能如何工作的实施方式的另一示意图。

图18是反应器主体前端和两个内部共旋转螺旋输送器能如何工作的实施方式的示意图。

图19是显示包括使用两个冷凝器系统的两个反应器主体的本发明的实施方式的流程图。

图20是具有改变倾斜角度的机构的实施方式的反应器主体的纵向侧视图。

图21是显示具有监控多个参数并具有修改那些参数的能力的控制系统的本发明的实施方式的流程图。

图22是预反应器处理的侧视图，其包括设计用于制备用于在反应器中转化的含有聚合物的材料的几个器件。

应理解附图示出了本发明的更广泛的范围和实施例，并且本发明的实施方式不限于这些附图。

在整个说明书中，可以使用相似的附图标记来标识相似的元件。

发明详述

应容易理解，通常在本文中描述并在附图中示出的实施方式的部件可以以各种各样的不同配置进行布置和设计。因此，如附图所示的下述各种实施方式的更详细的描述并不旨在限制本公开的范围，而是仅仅是各种实施方式的代表。尽管实施方式的各个方面在附图中示出，但是除非特别指出，附图不一定按比例绘制。

本发明可体现在其他特定形式中，而不偏离其精神或基本特性。所述实施方式在所有方面均应仅被视为是示例性的而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求书而非本详细说明来限定。权利要求等价形式含义和范围内的所有变化均涵盖在其范围内。

在整个说明书中对特征、优点或类似语言的引用并不意味着可以通过本发明实现的所有特征和优点应当是或在本发明的任何单个实施方式中。相反，涉及特征和优点的语言被理解为意味着结合实施方式描述的特定特征、优点或性质包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书的特征和优点以及类似语言的讨论可以但不一定是指相同的实施例。

此外，本发明描述的特征、优点或性质可以任何合适的方式组合在一个或多个实施方式中。根据本文的描述，本领域技术人员将认识到，可以在没有特定实施方式的一个或多个具体特征或优点的情况下实践本发明。在其他情况下，在本发明的所有实施方式中可能不存在的某些实施方式中可以认识到附加特征和优点。

说明书中提及的“一个实施方式”或“一种实施方式”或类似描述表示连同所述实施方式描述的具体特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施方式中。因此，在说明书中各处的短语“在一个实施方式中”、“在一种实施方式中”以及类似描述不一定全部都涉及同一个实施方式。

虽然本文描述了许多实施方式，但是器件的实施方式在不同的沸腾范围下将含有聚合物材料转化为的石油产品(主要是油)。图1显示了该器件包括进料器部分12、反应器部分14和冷凝器系统部分18。含有聚合物的材料通过进料器中的入口10进料，并且将热量施加到反应器16，同时存在用于产品从冷凝器离开的出口20。

进料到进料器中的含有聚合物的材料可以包括片体、切碎物、研磨物、或包含至少一部分聚合物材料的任何其它类型的形状。含有聚合物的材料的尺寸仅受进料器的尺寸的限制。使用较小的尺寸(小于1/2英寸)使松散材料变得更致密，从而更容易以一致的质量流移动所述松散材料。可以干进料或热熔融进料形式将所述含有聚合物的材料从所述输送器输送至反应器中。图2显示，将含有聚合物的材料通过入口22输送到进料器24中，在所述进料器24中含有聚合物的材料在30-125°F的环境温度范围中从26离开。

图3显示了可以将相同的含有聚合物的材料进料32通过进料器34置入，并加热以产生在250-600°F的温度范围内离开的含有热熔融聚合物的材料36。在这种升高的温度下，材料被熔化到更接近液体稠度(consistency)的点。使材料在升高的温度下进入反应器有助于保持反应器温度稳定，因为引入较冷的材料会降低反应器中材料的总体温度。进料器可用于增加材料的密度，并且在将材料送入反应器之前对其进行预热。

图4显示了可以使用螺旋输送器或螺杆44将含有聚合物的材料42从进料器46计量进入到反应器48中。螺旋输送器或螺杆的每分钟转数决定了材料的质量流速。螺旋输送器可以用冷却套冷却，以防止含有聚合物的材料在通过螺杆时预熔。在一个实施方式中，输送机构从进料器伸出进入反应器主体。

图5显示了除了外部加热器56之外，导致粘性加热的机械力54用于熔化含有聚合物的材料52，同时向前推进材料。螺旋输送器或螺杆的RPM决定了材料的质量流。当材料充分熔融时，可将所述材料推动通过通道60进入反应器62。

图6示出了另一进料器64，在这种情况下，在熔融容器中输送熔融蜡、热油、熔融材料或它们的组合的进料。将材料68在熔融容器中加热并混合，然后通过重力或热泵66计量加入反应器70。

图7显示了在四种不同温度下冷凝蒸气的四级冷凝系统的例子。冷凝系统的主要目的是充分冷却热蒸气以使冷凝发生，并使它们处于液相。冷凝系统还可以设置为分阶段进行所述冷却，以分开产品的不同沸腾范围。四级冷凝系统的结果是分离出四种不同的液体产品。将在反应器中产生的热蒸气71从以第一冷凝器72开始的冷凝系统中取出。蒸气以如下形式离开第一冷凝器：在200°F和反应器的温度的最大值之间的温度下的液体74，或蒸气73。离开第一冷凝器的蒸气进入第二冷凝器76，其中第二冷凝器76被设置具有比第一冷凝物更低但至少高于50°F的温度。蒸气再次以液体形式75或作为进入第三冷凝器78的蒸气77离开第二冷凝器。在第三冷凝器中，蒸气再次在比第二冷凝器更低但至少高于50°F的温度下进一步冷却。蒸气以液体79或蒸气80形式从该第三冷凝器离开，进入第四冷凝器82。在第四冷凝器中，蒸气在介于约室温和至少高于-30°F的温度之间显著冷却，以捕获最后的可用液体83，剩余物以蒸气81形式排出，蒸气81一般是由通常碳数小于5的不可冷凝的气体组成的轻质烃气体。尽管在该例子中提到了特定温度和/或温度范围，但是其它实施方式可以在其它温度或温度组合下操作。

图8显示了来自第一反应器85的反应产物被输送回第二反应器90的另一设计。在材料84进入反应器85并且作为蒸气离开之后，其进入第一冷凝器86。从该第一冷凝器中，蒸气可以移动到第二冷凝器87中，或者作为产品91离开，在这种情况下，产品91可以被重定向到另外的反应器90中，在该反应器中产品91会被进一步加热。进行进一步的反应主要是为了进一步裂化具有高沸点的重蜡产物。从第二反应器，液体可以以油反馈88的形式重新定向回到第一反应器85中，以作为液体91进一步加热或排出。来自第二冷凝器的蒸气将进入第三冷凝器89，再次以液体产物93或蒸气产物94的形式离开。在该例子中，在第四冷凝器中蒸气产物94没有进一步裂化。

图9示出了图8的替代设计，其中来自冷凝器87的蒸气产物94被重定向以用作加热第一反应器85的燃烧热源95的能量源。

图10显示了反应器主体100的一个实施方式的后视图。主体内设有主反应室102，在所述主反应室中有内部反应器螺旋输送器104和106。在该例子中，第一螺旋输送器104逆时针旋转，并且第二螺旋输送器106顺时针旋转，因此它们是反向旋转的螺旋输送器。在一些实施例中，反应器螺旋输送器有助于将焦炭和残余物从反应器壁上刮下并帮助将其运送到反应器主体的读取端(read end)。在所示实施方式中，第三挖掘螺旋输送器108垂直于反应器主体设置，以在未反应的残余物离开反应器时捕获未反应的残余物。第三螺旋输送器将残留物移动到其出口点110，在那里可以捕获和储存残余物。

图11显示了图10中使用的替代设置。内部反应器螺旋输送器114和116在反应器主体112内共旋转(即，沿相同的旋转方向)。第三挖掘螺旋输送器118依照反应器主体放置，直接放置在反应器主体的正下方和后面。所述螺旋输送器具有与图10中的螺旋输送器108相同的目的。

图12显示了反应器主体的内部。在该实施方式中，反应器主体120顺时针旋转122，内部旋转螺旋输送器126也顺时针旋转。

图13显示了为本发明的另一个实施方式。反应器主体130顺时针旋转132，而内旋转螺旋输送器134逆时针旋转。

图14显示了为本发明的第三个实施方式。在该情况中，反应器主体140逆时针旋转142，内部旋转螺旋输送器144也逆时针旋转146。

图15显示了本发明的第四个实施方式。在该情况中，反应器主体150逆时针旋转152。除了旋转的螺旋输送器154之外，还有一个刮板156，其去除已经下落的固体。

图16显示了本发明的第五个实施方式。在该情况中，反应器主体160顺时针旋转162。有两个内部反向旋转螺旋输送器164。一个逆时针旋转166，一个顺时针旋转168。

图17显示了本发明的第六个实施方式。在该情况中，反应器主体170顺时针旋转172。有两个内部反向旋转螺旋输送器174。第一个逆时针旋转176，第二个顺时针旋转178。

图18显示了为本发明的第七个实施方式。在该情况中，反应器主体180顺时针旋转182。有两个内部共旋转螺旋输送器184。第一个顺时针旋转186，第二个也顺时针旋转188。

图19显示了使用两个反应器和两个冷凝器的本发明的实施方式。190中的进料被输送到第一反应器192中，其中气体蒸气194和焦炭/残余物196从第一反应器192中离开。气体蒸气进入第一冷凝器198，两个产品200和202从该冷凝器出口离开。第二产物202以及来自第一反应器的焦炭/残余物进入第二反应器204。气体蒸气206离开第二反应器并进入第二冷凝器208。由第二冷凝器产生第三产物210。

图20示出了原料211如何进入反应器主体212，并且一个或多个螺旋输送器或刮板213向前推动原料。反应器主体保持偏离水平的倾斜214，倾斜角为0-30度。这种倾斜有助于反应，允许进行调节以达到提高产率的最佳停留时间。

根据操作条件和所需的燃料输出，反应器以一定RPM转动。反应器旋转的理想RPM由内部螺旋输送器的RPM引导，内部螺旋输送器在反应器内部将含有聚合物的材料混合。反应器的旋转作用促进了进料在内部的搅拌和混合，并且还允许均匀加热反应器室的外壁。反应器将含有聚合物的材料或蜡加热并搅拌至成为液体材料的状态。在一个实施方式中，反应器中的液体温度为400-550℃。在其它实施方式中，液体可以是更高或更低的温度。反应器包括在外部间接加热的纵向定位的圆柱形管。这可以用来自燃烧源的热气体或来自电源的热气体加热。

在其它实施例中，可以有加热反应器外壁长度的加热源。可以监控和控制反应器外壁以及反应器内壁的温度，以确保适当和稳定的反应条件。如果温度不稳定，可以通过加热源进行调节，以确保反应稳定。这有助于避免缺少加热和过度加热所述反应，这可能导致较低的产率。

在反应器室内，可以有一个或多个螺旋输送器，用于搅拌液体反应物以及来自反应器管内壁的废料。螺旋输送器旋转，使得其向前运送材料的线速度受到控制－移动的材料是待被输送离开反应器的干燥焦炭。螺旋输送器必须足够快以适应焦炭的挖掘，以使焦炭不会在反应器内阻塞。将螺旋输送器倾斜和直径设计成在必要的速度范围内运行，以将任何固体炭材料以等于或大于焦炭生成速率的速率运出反应器。

在反应器中，液体材料通过热解反应，所述热解将长分子分解成较短的分子。当分子充分热解并加热到所选择的反应温度(通常在400-550℃之间)时，该分子将被变为蒸气或气相。然而，确切的温度或范围可能取决于裂化的反应物的类型和/或与反应物混合的产物的组合。

改变反应器倾斜度使其在0-30％级之间倾斜允许根据需要来增加或减少吞吐速率。可以在反应器主体的后部附近使用塞子或挡板，以减少热损失，并确保蒸气在被除去炭的出口处不冷凝。

在某些情况下，将需要更多的原油，而在其他时候则需要更多的柴油。一旦气体具有所需的碳长度范围，它们在冷凝器系统中冷凝，以在优选的沸腾温度下产生油。反应器中存在的蒸气将通过轻微的真空压力差被吸入冷凝器系统。反应器中的真空度在-0.25"至-1.5"WC的范围内，而冷凝器中的真空度在-0.5"至2.0"WC的范围内。

冷凝器用于冷却由反应器产生的热蒸气。当这些蒸气冷却时，它们的大部分将从气相转变为液相。这种冷却可以分阶段进行，这将基于沸点温度将蒸气分离成不同的液体产物流。以与产物生产的速率大约相同的速率将产物从冷凝器中去除。

在冷凝系统中，通过降低温度从而冷凝至选定的沸腾范围而将蒸气烃气体系统地冷凝。被输送进入系统的含有聚合物的材料的类型可能会影响原料中油的产率，不同的材料具有不同的分子结构，这影响了潜在的油产率。

冷冻冷凝器可冷凝更多的蒸气－例如如果将冷凝器设定在约常规室温下，其可从产物流中得到轻质油。对于具体的最终目标(例如柴油燃料、汽油、原油、燃料油等)可掺混或单独使用不同的产物。

发明人在本发明中使用了不同的催化剂并发现一些催化剂增加了反应时间同时降低了油的产率。特定催化剂的使用改善了本发明，并且可当原料进入反应器主体时将所述催化剂均匀地加入原料中。

图21说明了控制系统的一个实施方式，其允许本发明的使用者监控整个反应过程，同时自动或人工改变操作条件。进口216监控不同参数，可包括但不限于含有聚合物的材料的进料速率和温度、反应器的RPM、反应器内的温度和压力、冷凝器内的温度和压力、冷凝器内的油水平、油生产率、油的产率、何种油产生阻塞以及阻塞的百分数、非可冷凝的气体流速、气体产率、焦炭生产速率、焦炭生产产率等。过程监控器显示器218允许用户跟踪每个参数。218还可以包括控制器，其可以自动调整参数以确保其保持在目标范围内(例如，如果油产量低，含有聚合物的材料的进料速率可以减慢)，或者可以由使用者人工改变(例如，如果需要更多的原油，使用者可以手动地改变一个或多个冷凝器内的温度和压力)。产出220是反应控制并包括含有聚合物的材料的输送速率、反应器的加热源、旋转反应器的机构、反应器内的压力、冷凝器内的压力、冷凝器的油流失率等。

图11是含有聚合物的材料可如何被预反应制备的例子。含有聚合物的材料在221进入，它们通常被不需要的纤维和灰尘污染。它们被放置在材料落下的第一器件222中。较轻的不期望的颗粒例如灰尘倾向于浮在224以上，而实际含有聚合物的材料落至底部223，在那里它们被捕获并被推入第二器件225。在第二器件225中，选择具有已知密度的流体，使得含有聚合物的材料通过其密度分开。密度较低的那些含有聚合物的材料将浮在顶部，密度较高的那些含有聚合物的材料将沉入底部226。然后可以将漂浮物引导227到第三器件228中，在第三器件228中含有聚合物的材料被干燥。一旦在该干燥过程中流体被分离出来229，干燥的含有聚合物的材料230就可以进行反应了。

在上述说明中，提供了各种实施方式的具体细节。然而，可以用少于所有这些具体细节来实践一些实施方式。在其他情况下，为了简洁和清楚起见，不再详细描述某些方法、程序、组件、结构和/或功能，而不是为了实现本发明的各种实施方式。

尽管本文的方法的操作以特定顺序显示和描述，但是可以改变每种方法的操作顺序，从而使得可以以相反的顺序执行某些操作，或者可以执行某些操作，至少部分与其他业务同时进行。在另一个实施方式中，不同操作的指令或子操作可以以间歇和/或交替方式来实施。

虽然已经描述和说明了本发明的具体实施方式，但是本发明不限于如此描述和说明的部件的具体形式或布置。本发明的范围由所附权利要求书和其等价内容限定。