專利名稱：諸如橡膠等烴類材料的低能量裂解法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及諸如橡膠、煤、焦油砂等烴類材料的低能量裂解法。該方法利用粘土催化劑以及負(fù)壓來(lái)實(shí)現(xiàn)低能量輸入的要求，并且由該方法生產(chǎn)的固態(tài)含碳材料，油和可燃?xì)怏w產(chǎn)物得到了改進(jìn)提高。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)利用放熱反應(yīng)來(lái)輸入能量并且可優(yōu)化所需的能量。
背景技術(shù)：
在美國(guó)，每個(gè)居民每年大約要扔掉一個(gè)廢輪胎。僅在1990年全國(guó)所扔掉的廢輪胎約有2億4千2百萬(wàn)個(gè)，這還不包括翻新的輪胎。廢輪胎僅是固體廢棄物的一小部分，然而它反映了嚴(yán)重的處理難題。雖然設(shè)計(jì)了許多廢輪胎焚化爐，但焚燒沒(méi)有使能量和化學(xué)材料從輪胎中得到最佳的回收。
大多數(shù)輪胎是以垃圾掩埋或輪胎儲(chǔ)存堆的形式處理的?？墒?，很難將所有的廢輪胎都以垃圾掩埋的方式處理掉；它們會(huì)招來(lái)氣體、嚙齒動(dòng)物、蛇和蚊子，引起火災(zāi)并且隨著時(shí)間的流逝，象其它廢棄物會(huì)合并和下陷一樣，它們也會(huì)不斷向上堆積。然而垃圾掩埋，儲(chǔ)存或不合規(guī)定的處理方式依舊是處理廢輪胎的主要方法。
裂解包括在無(wú)氧的情況下加熱有機(jī)材料從而將它們轉(zhuǎn)變成較簡(jiǎn)單且較小分子的有機(jī)化合物。當(dāng)以有機(jī)廢棄物例如廢輪胎為原料時(shí)，所生產(chǎn)的產(chǎn)品包括木炭或碳黑，油和氣體。早在1830年，開(kāi)發(fā)者就成功地將木材生產(chǎn)液態(tài)產(chǎn)物的裂解方式商業(yè)化。由煤裂解生產(chǎn)焦炭已成為一種最普通的應(yīng)用技術(shù)；其使用一直延續(xù)到今天。用木材裂解生產(chǎn)雜酚油的技術(shù)是在1838年將雜酚油作為木材的防腐劑引入后發(fā)展起來(lái)的。在19世紀(jì)中葉的美國(guó)和其它地方，由煤和油頁(yè)巖的裂解來(lái)生產(chǎn)油已變得很普遍。在1879年電燈泡發(fā)明之前，生產(chǎn)照明氣的裂解廠遍布世界。
裂解可在間歇進(jìn)料系統(tǒng)或連續(xù)進(jìn)料系統(tǒng)中進(jìn)行。間歇進(jìn)料系統(tǒng)是將原料一次性裝入。在間歇式熱反應(yīng)器中停留所需的時(shí)間后，排出固體產(chǎn)物和殘余物。作為替代，原料也可在連續(xù)進(jìn)料系統(tǒng)中輸入熱反應(yīng)器中，固體產(chǎn)物和殘余物可連續(xù)地排出。
裂解主要是靠熱來(lái)斷裂化學(xué)鍵，根據(jù)這一機(jī)理，有機(jī)化合物被分解和蒸發(fā)。大多數(shù)裂解廢橡膠和其它烴類的系統(tǒng)其操作溫度在約480°F～1740°F的范圍內(nèi)。在約480°F以上的溫度下，破碎的輪胎釋放出大量的液態(tài)油和氣體。在750°F以上，油的產(chǎn)量以及由實(shí)心輪胎獲得的木炭的產(chǎn)量相對(duì)于所產(chǎn)生的氣體量而降低，這取決于所使用的方法。輪胎含有超過(guò)80％的碳和氫，這些元素是形成固體，液體和氣體裂解產(chǎn)物的基本成分。除了碳-碳鍵外，輪胎的分解還需要斷裂硫-碳鍵和硫-硫鍵。
大多數(shù)裂解方法使用輪胎或其它固體有機(jī)原料，其所生產(chǎn)的固體產(chǎn)物被稱為“輪胎衍生的木炭”，“輪胎衍生的碳木炭(carbon char)”或碳黑?？蓪?duì)該固體產(chǎn)物作進(jìn)一步的加工和清洗以生產(chǎn)出更高等級(jí)的碳黑，或者將其直接銷售。碳黑在粒徑，表面積，平均聚集的質(zhì)量，顆粒和聚集質(zhì)量的分布，結(jié)構(gòu)以及化學(xué)組成上是不同的，根據(jù)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并以其性能為基礎(chǔ)來(lái)對(duì)碳黑進(jìn)行評(píng)定。由輪胎衍生的碳黑的可銷售性是由工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)決定的。例如，中等質(zhì)量的新(非回收)碳黑通?？捎迷谙鹉z產(chǎn)品中，而較低等級(jí)的可用在諸如管和實(shí)心(沒(méi)有鋼帶的)橡膠輪胎等產(chǎn)品中。高純度的碳黑可用在色調(diào)劑中以及用在電子傳感器上。
碳黑的表面積對(duì)質(zhì)量和應(yīng)用有著相當(dāng)大的影響；含有亞微細(xì)粒顆粒的碳黑其表面積與體積的比是很高的。商用碳黑的平均粒徑從用于低成本熱碳(thermocarbon)的約5000到用于最昂貴的高色漆碳的約100。其結(jié)構(gòu)也是非常重要的，它是通過(guò)對(duì)聚集體的大小和形狀，每個(gè)聚集體中顆粒的數(shù)目以及其平均質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量的。這些性能影響著松散材料中聚集體的裝填和空隙容積?？障度莘e是判斷碳黑等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)之一。
一般由輪胎衍生的碳木炭所生產(chǎn)出的碳黑其粒徑在10微米～100微米之間。該顆粒尺寸的范圍限制了材料被替代為標(biāo)準(zhǔn)的，變化較小的，含亞微細(xì)粒顆粒的碳黑的能力。但在某些應(yīng)用場(chǎng)合可使用含較大顆粒尺寸的碳黑，例如可用在塑料中以改進(jìn)耐候性，或使其具有抗靜電以及導(dǎo)電性。由裂解產(chǎn)生的木炭或碳木炭材料也可用作燃料。
輪胎裂解還可生產(chǎn)出含有可燃濃度的丁烷，丙烷，甲烷和乙烷的氣體。由于在氣體中含有大量一氧化碳和二氧化碳，所以該氣體不能與天然氣混合銷售。輪胎裂解系統(tǒng)還能產(chǎn)生與6號(hào)燃油相似的油基液體；液體是由輪胎原料中的有機(jī)物衍生的約30％～50％的產(chǎn)物構(gòu)成的。由于高溫以及在反應(yīng)混合物中沒(méi)有氫，所以大多數(shù)橡膠裂解法均可生產(chǎn)出聚芳烴(PAH)含量很高的液體；而這些化合物釋放到周圍環(huán)境中是有害的。
在工藝中所使用的各種裂解方法均是以粘土作為催化劑或無(wú)粘性劑。例如可參見(jiàn)US1680908；4463203；4300009；4948495；5114541；5354930；5233109和5114541。這些方法利用200℃-800℃(392°F～1492°F)的高溫并且不使用負(fù)壓/真空條件。其它的專利曾試圖更為細(xì)致的調(diào)整裂解的方法以便生產(chǎn)出其它方法所不能生產(chǎn)的某種產(chǎn)品，例如可參見(jiàn)US5359061，其公開(kāi)了彈性體例如橡膠輪胎屑的裂解方法，該方法使用分子束質(zhì)譜法技術(shù)探測(cè)分解的產(chǎn)物以及測(cè)定過(guò)程參數(shù)。
雖然有些專利披露了利用真空條件，但沒(méi)有一篇專利披露將真空與催化劑結(jié)合使用。例如US5720230披露了一種在約350°F～650°F溫度以及0.5～1英寸汞的略微真空的條件下裂解廢棄的橡膠輪胎的方法；US4740270公開(kāi)了在約360℃～415℃(680°F～779°F)以及低于大氣壓的條件下通過(guò)真空裂解處理廢舊橡膠輪胎的方法。
在大多數(shù)現(xiàn)有技術(shù)的方法中，由橡膠輪胎裂解獲得的碳黑在粒徑，純度等方面不符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。上述裂解橡膠輪胎和烴的方法一般是不能在較低的溫度下實(shí)現(xiàn)的并且這些方法也不能生產(chǎn)出較高質(zhì)量的碳黑以及作為反應(yīng)產(chǎn)物的聚芳烴低的液態(tài)油。
發(fā)明概述本發(fā)明通過(guò)對(duì)包括橡膠在內(nèi)的烴材料進(jìn)行低能量裂解而解決了上述問(wèn)題，其中所述的烴材料是在真空條件下加熱的，并且它使用粘土和金屬催化劑。用本發(fā)明的方法可獲得高質(zhì)量的固體反應(yīng)產(chǎn)物；碳黑不是在熱解的過(guò)程中產(chǎn)生的而是從橡膠輪胎中釋放出來(lái)的。由本發(fā)明方法生產(chǎn)的液態(tài)油與用其它方法生產(chǎn)的相比較，其聚芳烴和部分熱解的橡膠和烴材料的量減少了。將催化劑與負(fù)壓條件相結(jié)合使得該方法與其它現(xiàn)有技術(shù)的方法相比其可以更快的速率進(jìn)行。此外，通過(guò)在反應(yīng)過(guò)程中將油和氣體抽到橡膠的表面上，可使油和氣體更容易從系統(tǒng)中排出。使用粘土催化劑可在粘土的層中產(chǎn)生反應(yīng)活性部位，在這些部位處可與橡膠分子中的碳和硫分子共享電子。該共享電子緊拉相鄰的碳-碳，碳-硫，和/或硫-硫鍵，使之產(chǎn)生動(dòng)搖并降低其能量，從而所需的溫度促進(jìn)了熱裂解。鍵的斷裂包括自由基的形成，離子的形成或極化或者它們的結(jié)合。此外，催化劑也會(huì)在鍵上引起空間應(yīng)變，這使它們更加容易開(kāi)裂。金屬粉劑與粘土的結(jié)合使用進(jìn)一步強(qiáng)化了反應(yīng)。
在本發(fā)明的另一方面中，烴類材料的裂解是在真空條件下，至少在第一，第二和第三階段中發(fā)生的。由于利用了反應(yīng)的放熱性，因而僅需要將所需的能量輸入系統(tǒng)中，優(yōu)選在第一和第三階段。在反應(yīng)進(jìn)行過(guò)程中，特別是在反應(yīng)進(jìn)行的中間階段，幾乎不需要燃料來(lái)維持所需的反應(yīng)溫度。因此，隨著時(shí)間的推移要及時(shí)地調(diào)整反應(yīng)室中燃料的輸入量以便能連續(xù)地或空間地提供至少三個(gè)階段。
當(dāng)使用連續(xù)的熱解法時(shí)，反應(yīng)室中燃料的輸入量或溫度呈空間變化。橡膠或烴類材料通過(guò)螺旋鉆或其它類似的設(shè)備被送入反應(yīng)室中。在反應(yīng)室的入口處，相當(dāng)于反應(yīng)的第一階段(“活化階段”)，需要輸入較高的熱量以引發(fā)并克服反應(yīng)的活化能，因此需要對(duì)反應(yīng)室的入口部位進(jìn)行加熱。橡膠或烴類材料從反應(yīng)室的第一位置處移動(dòng)到第二，即中間位置處，相當(dāng)于反應(yīng)的第二階段(“分解階段”)，在那里的反應(yīng)為放熱反應(yīng)，因而幾乎不需要輸入熱量(燃料)來(lái)保證反應(yīng)的進(jìn)行。最后，橡膠或烴類材料移入相當(dāng)于反應(yīng)第三階段(“完成階段”)的第三位置處，在那里反應(yīng)臨近結(jié)束并且變得很緩慢，因此需要增加燃料的輸入量以便完成裂解過(guò)程。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種橡膠，焦油砂，煤或其它烴類材料低能量裂解的方法。
本發(fā)明的另一目的是提供一種利用真空條件和催化劑進(jìn)行低能量裂解的方法。
本發(fā)明的另一目的是提供一種低能量裂解的方法，它可生產(chǎn)出高質(zhì)量的反應(yīng)產(chǎn)物。
本發(fā)明的另一目的是提供一種低能量裂解的方法，其中輸入的燃料是隨著時(shí)間或呈空間變化的以利用反應(yīng)的放熱特性。
本發(fā)明的又一目的是提供一種回收橡膠輪胎或其它烴類材料的對(duì)環(huán)境較為安全的方法。
本發(fā)明的這些以及其它目的將通過(guò)下面詳細(xì)地描述以及所附的權(quán)利要求而變得一目了然。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明本發(fā)明用下面非限制性的附圖作進(jìn)一步說(shuō)明，其中

圖1顯示了僅用粘土，粘土與金屬粉劑相結(jié)合，以及柱狀粘土作催化劑的反應(yīng)溫度的曲線圖。
圖2顯示了脫除反應(yīng)的液體，固體和氣態(tài)產(chǎn)物的簡(jiǎn)化的熱解室和裝置。
圖3示出了脫除反應(yīng)的液體，固體和氣態(tài)產(chǎn)物的連續(xù)進(jìn)料的熱解室和裝置。
圖4示出了有和沒(méi)有催化劑的情況下反應(yīng)的活化能和反應(yīng)能。
優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述本發(fā)明提供一種烴類材料低能量裂解方法，它包括提供烴類材料，將烴類材料裝入反應(yīng)室中，將粘土和金屬粉劑催化劑加入反應(yīng)室中并加熱反應(yīng)室。該方法是在真空條件下進(jìn)行的，其所生成的反應(yīng)產(chǎn)物包括具有最低限度的非熱解材料的基本上為非焦化并且非氧化的固體殘余物，基本上為非氧化并且無(wú)聚芳烴的液態(tài)烴產(chǎn)物以及可燃?xì)怏w。
本發(fā)明的催化劑為粘土-金屬粉劑相結(jié)合的催化劑，與僅使用粘土催化劑相比，其進(jìn)一步減少了完成反應(yīng)所需輸入的熱量。將鋁(Al)和/或鎂(Mg)金屬粉劑加入粘土中可增強(qiáng)反應(yīng)。在這里所使用的“粉劑”對(duì)Mg來(lái)說(shuō)其顆粒尺寸要小于約325目，對(duì)鋁來(lái)說(shuō)其顆粒尺寸要小于約200目。雖然每種金屬可單獨(dú)與粘土結(jié)合使用，但優(yōu)選將兩種金屬結(jié)合使用。一般金屬粉劑加入的比例約為
∶
∶[8]([Al]∶[Mg]∶[粘土])。優(yōu)選的比例約為1∶1∶8。在施加到烴類材料之前，金屬要與粘土相混合。由于三種組分的密度相近，因而混合物在運(yùn)輸和儲(chǔ)存過(guò)程中不會(huì)發(fā)生分離。另外，用粘土進(jìn)行稀釋降低了金屬粉劑發(fā)生引燃的危險(xiǎn)?？梢哉J(rèn)為金屬粉劑的加入加強(qiáng)了反應(yīng)，這是由于金屬消除了系統(tǒng)中少量的氧氣并且產(chǎn)生的熱促進(jìn)了反應(yīng)，但發(fā)明人不希望僅束縛于這一種解釋。此外，金屬能促進(jìn)水煤氣和其它反應(yīng)以產(chǎn)生游離的氫，這有利于實(shí)現(xiàn)裂解反應(yīng)。當(dāng)加入金屬粉劑時(shí)，由反應(yīng)生成的熱會(huì)很快的產(chǎn)生并且可保持很長(zhǎng)的時(shí)間，因而幾乎不需要再輸入熱量。反應(yīng)朝著完成的方向進(jìn)行，其最后階段幾乎不再需要什么熱量。由于其最高的溫度和壓力與沒(méi)有金屬的催化劑的情況相近，所以其產(chǎn)物不會(huì)被催化劑-金屬的混合物所損害。
圖1說(shuō)明了在反應(yīng)的間歇系統(tǒng)中用柱狀粘土，金屬和粘土(膨潤(rùn)土)以及僅用粘土作催化劑的溫度曲線圖。如圖1所見(jiàn)，與沒(méi)有催化劑或僅使用粘土的情況相比較，烴類材料的反應(yīng)溫度隨著作為催化劑的柱狀粘土或金屬及粘土的使用而增加。這種能量的優(yōu)化可應(yīng)用在間歇和連續(xù)反應(yīng)器中。
在這里使用的術(shù)語(yǔ)“粘土”指的是天然存在的材料，在其分層結(jié)構(gòu)中含有水合鋁硅酸鹽并且它屬于通稱為綠土的材料。綠土例如膨潤(rùn)土以及具體的粘土礦物例如蒙脫土和貝得石均包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。另外，還包括含有這些粘土的商用產(chǎn)品例如cat litter或漏油吸收劑。這些粘土與各種反離子，包括氫(H形)，鈉(Na形)，各種金屬(例如Al形)以及有機(jī)陽(yáng)離子相結(jié)合也被認(rèn)為是在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
膨潤(rùn)土也可通過(guò)在層間加入金屬氫氧化物的柱狀物來(lái)改性。通過(guò)采用柱狀粘土可使分子束縛在粘土的層中從而使它們處于開(kāi)放的狀態(tài)，這使得粘土在高溫下更加穩(wěn)定并且可與較大的分子相互作用。柱狀粘土是一種更有效的催化劑，因?yàn)檫@種催化劑在高溫范圍內(nèi)非常穩(wěn)定。術(shù)語(yǔ)“粘土”指的是上述材料中的任何一種，它還包括沒(méi)有具體列舉但對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)所公知的那些。在本發(fā)明方法中優(yōu)選作為催化劑使用的粘土為綠土，最優(yōu)選為蒙脫土。
一般粘土和金屬粉劑催化劑的加入量約為0.01～3.0wt％，以橡膠或烴類材料的總重量計(jì)。優(yōu)選催化劑的加入量約為0.2～1.0wt％。
在這里所使用的術(shù)語(yǔ)“負(fù)壓條件”或“真空條件”指的是壓力低于大氣壓的真空，優(yōu)選真空度約為2～16英寸汞，最優(yōu)選約為5～10英寸汞。
由本發(fā)明方法生產(chǎn)含有很少未裂解橡膠的非焦化的含碳?xì)堄辔锊煌诂F(xiàn)有技術(shù)方法所生產(chǎn)的那些。例如，由本方法生產(chǎn)的碳黑沒(méi)有檢測(cè)到PAH’s，未裂解的橡膠小于約15-20％，并且與現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)品中的那些污染物的水平相比，其不含任何氧化的有機(jī)污染物。用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)分析商用標(biāo)準(zhǔn)的碳黑，IRB6證實(shí)在這些產(chǎn)品中存在有大于0.1％的PAH’s。當(dāng)在不使用催化劑的情況下操作時(shí)，現(xiàn)行的方法所生產(chǎn)的產(chǎn)品有超過(guò)70％的未裂解的橡膠，當(dāng)在正壓下操作時(shí)，其所生產(chǎn)的產(chǎn)品具有大量的氧化的有機(jī)污染物，例如對(duì)苯二酸。在這里所使用的術(shù)語(yǔ)“最低限度的未裂解的橡膠”指的是固體殘余物具有小于約20％的未裂解的烴類材料。
由本發(fā)明方法生產(chǎn)的液態(tài)油與現(xiàn)有技術(shù)方法所生產(chǎn)的油相比，其性能也得到了提高。由本方法所生產(chǎn)的油其聚芳烴和氧化的有機(jī)污染物的含量均得到了降低。與其它現(xiàn)有技術(shù)方法生產(chǎn)的油相比其重量也較輕。
在一個(gè)實(shí)施方案中，當(dāng)操作以間歇模式進(jìn)行時(shí)，在第一或活化階段的反應(yīng)溫度為約140°F～850°F，優(yōu)選開(kāi)始低于155°F，峰值約550°F。反應(yīng)溫度是通過(guò)將測(cè)量設(shè)備插入橡膠或烴類材料本身來(lái)監(jiān)測(cè)的；在整個(gè)活化階段向系統(tǒng)輸入恒定的能量直至油開(kāi)始冷凝，在那時(shí)，就要減少或中止加熱。在反應(yīng)的下一階段(第二階段)，由于反應(yīng)的放熱特性，所以僅需要很少或者不需要再輸入燃料，在不輸入燃料的情況下，反應(yīng)溫度從約550°F上升到850°F或更高的溫度。在反應(yīng)的分解階段將近結(jié)束時(shí)，反應(yīng)變得緩慢并且溫度開(kāi)始降低，在這一期間就需要增加燃料以完成裂解過(guò)程。在反應(yīng)溫度達(dá)到峰值并且開(kāi)始下降后重新開(kāi)始加熱并持續(xù)到溫度持平而指示出完成時(shí)為止。在這種設(shè)置形式中用催化劑比不用催化劑可減少使用燃料25％。電子反饋系統(tǒng)或在連續(xù)的螺旋反應(yīng)器的情況下，將熱從放熱區(qū)進(jìn)行傳遞的系統(tǒng)都可根據(jù)反應(yīng)溫度形成自動(dòng)調(diào)節(jié)燃料的輸入。
圖2示出了裂解反應(yīng)室和間歇裝置的實(shí)施方式，其中根據(jù)本發(fā)明的方法其液態(tài)，氣態(tài)和固態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物可在裂解過(guò)程中去除。將橡膠輪胎1和催化劑3放入反應(yīng)室5并進(jìn)行加熱，其熱量是用溫度計(jì)7測(cè)量的，它可對(duì)反應(yīng)的熱進(jìn)行監(jiān)測(cè)。真空泵9保持整個(gè)系統(tǒng)為負(fù)壓，這是通過(guò)真空計(jì)11測(cè)量的。集油池13收集反應(yīng)生成的油，而氣體從15處排出。冷凝旋管17對(duì)油進(jìn)行冷凝，流體閥調(diào)節(jié)器19控制著反應(yīng)器的氣壓和真空度。固體產(chǎn)物保留在反應(yīng)室5中，在那里它們?cè)诜磻?yīng)結(jié)束后被收集起來(lái)。
在另一實(shí)施方案中，反應(yīng)室中的溫度/燃料的輸入在連續(xù)裂解法中呈空間變化。首先，在室溫下的烴類材料從料筒移入反應(yīng)器中的初始溫度段，在溫度段控制需要輸入的熱量以克服反應(yīng)的活化能。在反應(yīng)室的入口處，相當(dāng)于反應(yīng)的第一階段，需要輸入很高的熱量以引發(fā)反應(yīng)，因此需要對(duì)反應(yīng)室的入口部分進(jìn)行加熱，所輸入的熱量要能使反應(yīng)溫度達(dá)到約450°F～850°F為止，更優(yōu)選約為500～600°F，最優(yōu)選約為550°F，其所進(jìn)行的時(shí)間要能充分的引發(fā)裂解反應(yīng)，這可通過(guò)開(kāi)始產(chǎn)出油顯示出來(lái)。橡膠或烴類材料可通過(guò)螺旋鉆或其它類似的設(shè)備移入反應(yīng)室中，并且可從室的第一位置移到第二，中間位置，相當(dāng)于反應(yīng)的第二階段，在那里輸入較低的燃料就可將反應(yīng)溫度維持在約450～850°F，更優(yōu)選約500～600°F，最優(yōu)選約550°F，并且要確保反應(yīng)進(jìn)行足夠的時(shí)間以使裂解反應(yīng)連續(xù)，這可通過(guò)生成的熱顯示出來(lái)。最后，將橡膠或烴類材料移到相當(dāng)于反應(yīng)第三階段的第三位置處，并增加熱量的輸入以維持反應(yīng)溫度在約450～850°F，更優(yōu)選約為500～600°F，最優(yōu)選約為550°F，其進(jìn)行的時(shí)間要足以完成裂解過(guò)程，這可通過(guò)溫度的持平指示出。在螺旋鉆的中心處測(cè)量反應(yīng)的溫度，調(diào)節(jié)燃料的輸入以維持所需的反應(yīng)溫度并利用反應(yīng)的放熱特性。
加料器和回收系統(tǒng)將氣體從可控的低溫反應(yīng)室中排出，它還使得該反應(yīng)室在真空下可連續(xù)地運(yùn)轉(zhuǎn)。正如上面所述，可開(kāi)發(fā)電子反饋系統(tǒng)從而根據(jù)反應(yīng)的溫度來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)燃料的輸入。
圖3顯示了一個(gè)連續(xù)加料系統(tǒng)的實(shí)例。破碎的橡膠30或其它烴類材料以及催化劑35通過(guò)傳送帶45或其它類似的設(shè)備輸入入口箱或進(jìn)料斗40中。用煤氣噴燈55和60在兩端加熱細(xì)長(zhǎng)的反應(yīng)室50。烴類材料在活化段65被加熱，然后用螺旋鉆70將其移入分解段73，在那里將發(fā)生放熱反應(yīng)。當(dāng)反應(yīng)減緩時(shí)，用螺旋鉆將烴類材料移到完成段75，這之后將固體殘余物由出口箱80移到固體材料回收系統(tǒng)85上從而得到碳黑和鋼，如果開(kāi)始存在的話。將蒸氣90連續(xù)地脫出并用熱交換器或油冷凝器100將其冷凝成油95或在反應(yīng)期間作為燃料燃燒掉。真空泵105脫出蒸氣并維持反應(yīng)過(guò)程的真空。
通過(guò)掌握激活反應(yīng)所需要的能量以及該反應(yīng)中能量產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)(如圖4所示)就可設(shè)計(jì)出呈空間變化的反應(yīng)器，當(dāng)反應(yīng)材料送入反應(yīng)器時(shí)，該反應(yīng)器可控制加到反應(yīng)材料上的能量。此外，由于生成的氣體含有可處理程度的污染物，所以當(dāng)需要時(shí)，可將它們收集并送回到系統(tǒng)中。該設(shè)計(jì)利用了反應(yīng)的熱力學(xué)是非常經(jīng)濟(jì)的。
實(shí)施例下面的實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明，它對(duì)本發(fā)明不起任何限制作用。
將兩磅的橡膠輪胎裝入具有21夸脫容量的間歇式裂解室中，并把10克由鋁，鎂和膨潤(rùn)土其質(zhì)量比為1∶1∶8所組成的混合金屬催化劑分散在橡膠上。反應(yīng)器用LPG燃料進(jìn)行加熱，其燃燒的速率為16l/min，直至在第一階段產(chǎn)生油的冷凝物并且反應(yīng)溫度達(dá)到550°F為止，這可通過(guò)將熱電偶放在室中的橡膠塊中來(lái)測(cè)定。在該溫度下關(guān)掉LPG流。溫度通過(guò)放熱反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量繼續(xù)升高直到在第二階段中的溫度達(dá)到750°F為止。在這一過(guò)程期間，通過(guò)用引示光在可燃程度的范圍內(nèi)燃燒約20分鐘來(lái)觀察可燃?xì)怏w產(chǎn)物。所生產(chǎn)的碳黑含有大于74％的固體產(chǎn)物。油相當(dāng)于6號(hào)燃油。進(jìn)行80次這種試驗(yàn)，其結(jié)果類似。在沒(méi)有催化劑的情況下進(jìn)行與之相對(duì)的比較試驗(yàn)，結(jié)果有很少或根本沒(méi)有氣體或油生成，并且固體產(chǎn)物由小于20％的碳黑組成。
雖然上面所描述的具體的實(shí)施方案的目的是為了說(shuō)明本發(fā)明，但對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)對(duì)本發(fā)明的細(xì)節(jié)作出各種改變是顯而易見(jiàn)的，它們都沒(méi)有脫離由權(quán)利要求書(shū)所限度的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種烴類材料的低能量裂解方法，包括提供所述烴類材料；將所述烴類材料裝入反應(yīng)室中，將粘土和金屬粉劑催化劑加入所述的反應(yīng)室中，以及加熱所述的反應(yīng)室足夠的時(shí)間以基本上完成裂解過(guò)程，所述的方法是在真空下進(jìn)行的，其生成的反應(yīng)產(chǎn)物包含有基本上非焦化的且非氧化的具有最低限度的未裂解材料的固體殘余物，基本上未氧化的且沒(méi)有聚芳烴的液態(tài)烴，以及可燃?xì)怏w。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述的粘土選自蒙脫土，膨潤(rùn)土，貝得石，以及其組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述的粘土為柱狀粘土。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述的粘土為天然礦石。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述的粘土為含有商用粘土的產(chǎn)品。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中所述的商用粘土產(chǎn)品選自catlitter和溢油吸收劑，及其組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述的粘土和金屬粉劑催化劑的加入量約為0.01wt％～3.0wt％，以所述的烴類材料的總重量計(jì)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中金屬粉劑以[Al][Mg][粘土]約為
∶
∶[8]的比例加入粘土中。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中金屬粉劑以[Al][Mg][粘土]約為
∶
∶[8]的比例加入。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述的金屬粉劑由鋁和鎂的混合物組成。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述的金屬粉劑由鋁或鎂組成。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述的金屬粉劑包含小于約200目的鋁顆粒，和小于約325目的鎂顆粒。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中對(duì)所述的反應(yīng)室的加熱將使得烴類材料的反應(yīng)溫度在約150～850°F。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中保持所述烴類材料的反應(yīng)溫度達(dá)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以完成裂解反應(yīng)。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述的加熱是在至少第一、第二和第三階段進(jìn)行，并且要調(diào)節(jié)燃料的輸入，以利用反應(yīng)的放熱特性。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中在所述第一階段中的加熱要使反應(yīng)溫度維持在約450～850°F達(dá)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以引發(fā)裂解。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中在所述第二階段中的加熱要使反應(yīng)溫度維持在約450～850°F達(dá)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以連續(xù)裂解。
18.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中在所述第三階段中的加熱要使反應(yīng)溫度維持在約450～850°F達(dá)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以完成裂解。
19.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中所述的第一、第二和第三階段是隨時(shí)間連續(xù)進(jìn)行的。
20.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中當(dāng)所述的烴類材料送入所述的反應(yīng)室時(shí)，所述的第一、第二和第三階段是隨空間連續(xù)進(jìn)行的。
21.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述真空保持在約2英寸～約16英寸汞的壓力下。
22.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中所述的真空保持在約2英寸～約16英寸汞的壓力下。
23.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述的真空保持在約5英寸～10英寸汞的壓力下。
24.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中所述的真空保持在約5英寸～10英寸汞的壓力下。
25.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述的烴類材料為廢橡膠。
26.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述的烴類材料為焦油砂。
27.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述的烴類材料為煤。
28.一種再生和回收廢汽車輪胎以及含有有機(jī)和無(wú)機(jī)材料的其它橡膠基材料中的成分以再利用或環(huán)保處理的裝置，所述的裝置包括一種將橡膠產(chǎn)品和催化劑輸入低溫反應(yīng)器入口的喂料系統(tǒng)；具有活化、分解以及完成段的一或多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的反應(yīng)室，其中所述的一或多個(gè)反應(yīng)室的每一個(gè)都具有一個(gè)螺旋鉆用以將材料從入口處輸送入所述的反應(yīng)器中并將固體產(chǎn)物從所述的反應(yīng)器輸?shù)匠隹谔?；在反?yīng)室每端處的入口箱和出口箱，用于輸入，引發(fā)反應(yīng)，分解產(chǎn)物，完成反應(yīng)以及提取蒸氣和固體材料；以及一固體材料回收系統(tǒng)。
29.根據(jù)權(quán)利要求41的裝置，它還包括從所述反應(yīng)室的分解段回收蒸氣的蒸氣回收系統(tǒng)，其中所述的蒸氣回收系統(tǒng)包括用于冷凝所述一或多個(gè)反應(yīng)室蒸氣的熱交換器；用于分離所述熱交換器中冷凝液體的液體/氣體分離器；以及用于將蒸氣從所述一或多個(gè)低溫反應(yīng)室的分解室經(jīng)所述熱交換器和液體/氣體分離器排出同時(shí)在所述的一或多個(gè)低溫反應(yīng)室中保持真空的真空泵。
30.根據(jù)權(quán)利要求41的裝置，其中喂料系統(tǒng)為螺旋鉆。
31.根據(jù)權(quán)利要求41的裝置，其中出口傳送機(jī)為螺旋鉆。
32.一種再生和回收廢汽車輪胎以及切成塊的其它橡膠制品以再利用或環(huán)保處理的方法，包括將輪胎塊由供料口通過(guò)運(yùn)輸機(jī)輸送到進(jìn)料箱中，以及將輪胎塊由進(jìn)料箱通過(guò)螺旋鉆輸送到低溫反應(yīng)室的入口。
全文摘要
本發(fā)明提供一種橡膠或其它烴類材料低能量裂解的方法。在烴類材料被加熱的同時(shí)保持一定的真空并使用粘土作為催化劑。在一附加的實(shí)施方案中,反應(yīng)室的溫度以及相應(yīng)輸入燃料的溫度在反應(yīng)室中隨時(shí)間或空間變化以便利用反應(yīng)放熱的特性。用本發(fā)明的方法可獲得高質(zhì)量的固體反應(yīng)物以及聚芳烴和氧化的有機(jī)污染物低的液體。
文檔編號(hào)C10B53/07GK1388880SQ01802708
公開(kāi)日2003年1月1日 申請(qǐng)日期2001年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月10日
發(fā)明者R·E·尼科爾斯, A·M·萊溫, J·E·朗路易斯三世 申請(qǐng)人:Rj利格魯普公司