Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКИХ ПОЛИМЕРНЫХ ОТХОДОВ

Изобретение относится к способам утилизации отходов полимеров путем каталитической деструкции с получением топлив или компонентов топлива.

В современном мире искусственных материалов полиэтилен нашел широкое применение, однако отходы полимера характеризуются продолжительным разложением в природе. Одним из направлений утилизации отходов полимеров является их термическая и термокаталитическая деструкции в углеводородные фракции, которые после соответствующей обработки могут быть использованы в качестве моторного топлива.

Известны различные способы вторичного использования полиэтилена, полипропилена и полистирола. В том числе предлагаются различные способы фракционирования и формовки изделий из отходов. Однако такие изделия подвержены быстрой деструкции из-за образования центров инициирования процессов деструкции, что приводит к ухудшению механических свойств изделий из вторичного полиэтилена. Известен способ переработки вторичного полиэтилена [патент RU 2106365, кл. C08J 11/04, С10М 171/04, опубл. 10.03.1998]. Суть способа заключается в измельчении полиэтилена и фракционировании в кипящем растворителе на растворимую золь- и нерастворимую гель-фракции с разделением и промывкой продуктов фракционирования, после чего проводится низкотемпературный пиролиз при температуре 480-600°C в вакууме отдельно для каждой фракции. В качестве растворителя используют метаксилол. Способ обеспечивает высокую эффективность переработки отходов полиэтилена, селективное увеличение выхода газообразных и жидких олефинов. Основными недостатками этого способа являются сложная многостадийная технология процесса, необходимость использования вакуумного оборудования, применение токсичных растворителей.

Известен способ переработки органических промышленных и бытовых полимерных отходов [патент RU 2110535, кл. C08J 11/04, C08J 11/08, опубл. 10.05.1998], заключающийся в термоожижении отходов в алкилбензоле при температуре 270-420°C и повышенном давлении до 6 МПа в присутствии редкоземельного металла или интерметаллидов на основе редкоземельных металлов или в присутствии гидрида титана, взятых в количестве 0,5-10% от массы реакционной смеси. Способ позволяет повысить степень конверсии отходов, увеличить выход жидких продуктов фракции до 200°C, а также получить высокоароматизированные жидкие продукты с высоким содержанием изоалканов, циклоалканов, гидроароматических компонентов, отвечающих за высокое октановое число. Из недостатков способа можно выделить применение в качестве катализатора дорогостоящих редкоземельных металлов и сложность технологического процесса из-за проведения процесса при повышенном давлении и использования растворителя.

Из способов переработки полимеров можно также выделить термокаталитическое разложение полимеров в присутствии катализатора кислотного типа, в качестве которого может использоваться медьсодержащий или алюмосиликатный минерал [патент US 6043289, кл. С08J 11/12, C08L 95/00, опубл. 28.03.2000]. Недостатком является то, что таким способом получают только тяжелые углеводородные фракции.

Известен способ получения углеводородного сырья из отходов полимеров [патент RU 2451696, кл. C08J 11/04, C08J 11/16, С10В 57/00, опубл. 27.05.2012], таких как полиэтилен, полипропилен, полистирол или их любые смеси, с выходом жидких продуктов не менее 85%, заключающийся в каталитическом превращении указанных отходов в смесь углеводородов при температуре 350-500°C и давлении не более 1.5 МПа, при этом процесс осуществляют в присутствии катализатора из ряда алюмосиликатов с введенным в их структуру элемента, выбранного из ряда: магний, цинк, марганец, железо, кремний, кобальт, кадмий или их любая смесь, с дальнейшим разделением полученной смеси углеводородов на фракции. Способ позволяет получать высококачественные моторные топлива и масла. Однако способ характеризуется сложностью из-за проведения процесса при высоких температурах (до 500°C) и повышенном давлении до 15 атм.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому эффекту является способ переработки органических полимерных отходов [патент RU 2262520, кл. C08J 11/20, C08J 11/16, опубл. 20.10.2005], включающий ожижение измельченных полимеров, смешение с катализатором и термокаталитическую деструкцию реакционной смеси при нормальном атмосферном давлении, при этом ожижение отходов осуществляют в среде алкилбензола при 140-150°C и нормальном атмосферном давлении с последующим смешением с катализатором - модифицированной кислотной обработкой глиной - при массовом соотношении отхода и катализатора 1-2:1, а термокаталитическую деструкцию ведут в реакторе проточного типа в токе инертного газа при температуре 350-400°C. Способ позволяет утилизировать отходы полиэтилена, использовать в качестве катализатора дешевые и доступные материалы.

Недостатком известного способа является сложность технологического процесса из-за необходимости использования растворителя, многостадийность, а также высокий расход катализатора.

Задачей настоящего изобретения является упрощение технологического процесса переработки отходов полимеров.

Поставленная задача решается способом переработки органических полимерных отходов, включающий ожижение измельченных полимеров, смешение с катализатором и термокаталитическую деструкцию реакционной смеси при нормальном атмосферном давлении, при этом в качестве катализатора используют 2-этилгексаноата никеля (II) в виде 40-45%-ного раствора в бензоле, взятого в массовом соотношении отход:катализатор, равном 1:0,03-0,06; а ожижение отходов и термокаталитическую деструкцию осуществляют путем нагрева реакционной смеси до температуры 300-400°C при рециркуляции легких углеводородов в течение 0,5-1,5 часа с последующим отгоном жидких углеводородов.

Особенностью заявленного способа переработки органических полимерных отходов является уменьшение расхода катализатора за счет использования гомогенной каталитической системы, исключение применения растворителя за счет ожижения отходов полимеров дистиллятом путем рециркуляции углеводородов. Предлагаемый способ переработки органических полимерных отходов осуществляется при атмосферном давлении, что упрощает ведение технологического процесса.

Пример осуществления способа

Пример 1. В реактор, снабженный обратным холодильником, загружают 20 г предварительно измельченных отходов полиэтилена и добавляют 2,8 г 43% раствора 2-этилгексаноата никеля в бензоле. Количество 2-этилгексаноата никеля в пересчете на сухое вещество составляет 1,2 г. Массовое соотношение отход:катализатор составляет 1:0,06. Реакционную смесь нагревают до 300°C в течение 1 часа при рециркуляции легких углеводородов. При этом достигается полное ожижение отходов полимера, а реакционная смесь представляет гомогенный раствор. После этого проводят отгонку жидких углеводородов. Общий выход продуктов деструкции составляет 90,6% масс. Полученные результаты примеров осуществления способа представлены в таблице 1.

Оптимальными условиями переработки органических полимерных отходов с достижением максимального выхода продуктов деструкции является использование катализатора 2-этилгексаноата никеля в виде 40-45%-ного раствора в бензоле, массовое соотношение отход:катализатор 1:0,03-0,06 и рециркуляция легких углеводородов в течение 0,5-1,5 часа с последующим отгоном жидких углеводородов.

Поддержание концентрации раствора катализатора в бензоле в пределах 40-45% обеспечивает полное растворение 2-этилгексаноата никеля.

При расходе катализатора меньше массового соотношения отход:катализатор чем 1:0,03 снижается выход продуктов деструкции, а увеличение расхода катализатора выше соотношения чем 1:0,06 приводит к перерасходу дорогого реагента.

Наибольший выход продуктов деструкции достигается при рециркуляции дистиллята продолжительностью 0,5-1,5 часа. Сокращение продолжительности интервала рециркуляции жидких углеводородов менее 0,5 ч ведет к уменьшению выхода продуктов деструкции. Увеличение продолжительности рециркуляции более 1,5 ч приводит к сокращению производительности.

С помощью метода хромато-масс-спектрометрии определен покомпонентный состав дистиллята продуктов деструкции, полученного в результате переработки отходов полиэтилена в присутствии 43% раствора в бензоле 2-этилгексаноата никеля (II) в массовом соотношении отход:катализатор=1:0,06.

По предлагаемому способу термокаталитической деструкцией отходов полиэтилена получают смесь углеводородов групп С₆-С₂₄. Продукты деструкции могут быть использованы как моторное топливо, как компонент моторного топлива и в качестве нефтехимического сырья.