Помощь студентам в учебе
Разработка способа переработки отходов карбоцепных термопластов
|
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНО-ПАТЕНТНЫЙ ОБЗОР 9
1.1 Направления утилизации твердых отходов пластмасс 9
1.2 Ликвидация отходов 11
1.1.1 Сжигание 11
1.1.2 Саморазлагающиеся полимеры 12
1.3 Рециклинг 18
1.3.1 Механическая переработка 18
1.3.2. Химическая модификация 21
1.3.3. Деструктивная утилизация 21
1.4 Обзор патентов 24
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 38
2.1 Описание лабораторной установки 38
2.2 Режим работы хроматографа 38
2.3 Режим хроматографического разделения 38
2.4 Режим пиролитической приставки 39
ГЛАВА 3. РАСЧЕТ И ОБСУЖДЕНИЯ 40
3.1 Фракционный состав продуктов пиролиза и пирограммы 40
3.2 Описание принципиальной технологической схемы 45
3.3 Расчет абсорбционной колонны 49
3.3.1 Расчет насадочного абсорбера для смеси
полиэтилена, полипропилена, полистирола 49
3.3.2 Расчет тарельчатого абсорбера для смеси
полиэтилена, полипропилена, полистирола 63
3.3.3 Сравнение насадочного и тарельчатого абсорбера 66
3.3.4 Расчет насадочного абсорбера при
использовании полиэтиленовой фракции 67
3.4 Обоснование выбора насадки «Инталокс» 77
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНО-ПАТЕНТНЫЙ ОБЗОР 9
1.1 Направления утилизации твердых отходов пластмасс 9
1.2 Ликвидация отходов 11
1.1.1 Сжигание 11
1.1.2 Саморазлагающиеся полимеры 12
1.3 Рециклинг 18
1.3.1 Механическая переработка 18
1.3.2. Химическая модификация 21
1.3.3. Деструктивная утилизация 21
1.4 Обзор патентов 24
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 38
2.1 Описание лабораторной установки 38
2.2 Режим работы хроматографа 38
2.3 Режим хроматографического разделения 38
2.4 Режим пиролитической приставки 39
ГЛАВА 3. РАСЧЕТ И ОБСУЖДЕНИЯ 40
3.1 Фракционный состав продуктов пиролиза и пирограммы 40
3.2 Описание принципиальной технологической схемы 45
3.3 Расчет абсорбционной колонны 49
3.3.1 Расчет насадочного абсорбера для смеси
полиэтилена, полипропилена, полистирола 49
3.3.2 Расчет тарельчатого абсорбера для смеси
полиэтилена, полипропилена, полистирола 63
3.3.3 Сравнение насадочного и тарельчатого абсорбера 66
3.3.4 Расчет насадочного абсорбера при
использовании полиэтиленовой фракции 67
3.4 Обоснование выбора насадки «Инталокс» 77
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Актуальность: Одной из важнейших проблем, с которой столкнулось мировое сообщество в настоящее время, является проблема загрязнения окружающей среды отходами полимерных материалов, в частности пластмасс на основе полиэтилена (ПЭ) и полипропилена (1111). Из всех типов существующих отходов именно пластиковые отходы становятся основным загрязняющим фактором благодаря их естественному разнообразию и довольно быстрому накапливанию.
До недавнего времени основными методами утилизации таких отходов было их складирование на полигонах твердых бытовых отходов (ТБО) или простое сжигание без изначальной сортировки и отдельной обработки в зависимости от типов утилизируемых отходов. Традиционная утилизация пластиковых отходов бесспорно приводит к загрязнению окружающей среды, так как в случае захоронения отходов на полигонах для большинства полимерных материалов просто не существует микроорганизмов, способных превращать (перерабатывать) их в безопасные для окружающей среды вещества. А при сжигании образуется значительное количество газообразных и твердых отходов, которые, в свою очередь, также необходимо утилизировать.
Существует ряд методов вторичного использования ПЭ и ПП. В большинстве этих способов используются различные методы и устройства вторичного формования изделий из отходов пластмасс. Основным недостатком этих методов является то, что механические свойства изделий из вторичных пластмасс ухудшаются на 15-20% по сравнению с исходными изделиями [1].
Среди известных технологий переработки отходов следует особо выделить пиролиз - метод контролируемого термического разложения исходного сырья без доступа кислорода. В результате пиролизной переработки сырья получается кондиционная продукция: котельное (печное) топливо (используется по прямому назначению и для получения компонентов дизельной (бензиновой) фракции при наличии ректификационной колонны); пиролизный газ (используется в качестве топлива для работы установки); сухой углеродный остаток 4-го класса опасности (используется на местные, строительные и рекультивационные нужды, а также вводится как наполнитель в бетонные смеси); тепло, выделяемое в процессе переработки (используется для обогрева помещений).
Пиролиз представляет собой совокупность элементарных реакций разложения (деструкции) органического вещества на продукты с меньшей молекулярной массой. Реакции протекают как последовательно, так и параллельно и при этом неразрывно связаны между собой.
На сегодняшний день существует ряд классификаций пиролиза, а именно:
- сухой пиролиз (без доступа кислорода) и окислительный пиролиз (при частичном сжигании отходов или в результате прямой обработки отходов горячими дымовыми газами);
- низкотемпературный пиролиз (300-550°C), направленный преимущественно на получение продуктов жидкой фракции; среднетемпературный пиролиз (550-800°C), направленный на получение продуктов всех фракций;
- высокотемпературный пиролиз (свыше 900°C), направленный на получение газообразных продуктов процесса;
- пиролиз, реализуемый в установках циклического (периодического) и непрерывного действия.
Однако в странах СНГ, включая Россию и Украину, процесс переработки отходов методом пиролиза пока не получил большого распространения. Причиной этого является, во-первых, сложность в эксплуатации представленных на рынке стран СНГ технологий и оборудования, во-вторых, отсутствие опыта у местных производителей, не дающих гарантии функционирования установок, и, в-третьих, отсутствие эффективных технологий пиролиза и устройств, реализующих эти технологии. Как следствие - высокая стоимость зарубежных аналогов.
Цель работы- исследование утилизации твердых полимерных отходов методом пиролиза, выбор наиболее перспективного направления и научно обоснованная разработка способа переработки отходов карбоцепных термопластов.
Для достижения поставленной цели решения требуют следующие задачи:
1. Обосновать актуальность и необходимость выбранной темы для выпускной квалификационной работы.
2. Собрать статистические данные образования отходов полимеров.
3. Исследовать имеющиеся на данный момент технологии утилизации отходов полимеров и произвести их сравнительный анализ.
4. Рассмотреть малоизвестные, но перспективные методы, не нашедшие широкого применения на сегодняшний день, для утилизации отходов.
5. Провести патентный поиск и на его основе предложить способ переработки отходов.
Объект исследования: способы, направления переработки, готовые патентные решения (изобретения).
Предмет исследования: возможность переработки отходов карбоцепных термопластов методом пиролиза, определение состава продуктов пиролиза термопластичных полимеров.
Научная новизна:
Предложен способ, который относится к переработке и утилизации синтетических полимерных материалов и может быть применено для переработки отходов карбоцепных термопластов в смесь низкомолекулярных углеводородов с последующим выделением из полученной смеси мономеров - исходных соединений для производства полимеров. Способ переработки отходов карбоцепных термопластов включает стадию термоожижения сырья, стадию его термического разложения, стадии выделения продуктов разложения и их фракционирования. При этом стадию термического разложения проводят методом пиролиза при температуре 500-600°С и атмосферном или небольшом избыточном давлении в токе газа-разбавителя. Переработка отходов карбоцепных термопластов данным способом может быть совмещена с пиролизом нефтяного сырья в производстве этилена.
Практическая значимость работы:
Разработана принципиальная схема переработки отходов термопластов, которая вдальнейшем может внедряться на производства, например, этилена. Полученью программы отдельных фракций могут использоваться для дальнейшего изучения структуры термопластов и фракционного состава по компонентно. Расчет колонны для абсорбции показал, возможность использования описанного метода на практике.
Положения, выносимые на защиту:
Научная обоснованность и достоверность
Апробация работы и публикации:
Работа опубликована на научной конференции ТГУ от 19.04.19 и подана заявка на патент № 2018141306/05
Структура и объем диссертации:
Диссертация состоит из трех глав, введения, заключения и списка использованных источников. Работа изложена на 91 листе, 6 рисунков и 10 таблиц.
До недавнего времени основными методами утилизации таких отходов было их складирование на полигонах твердых бытовых отходов (ТБО) или простое сжигание без изначальной сортировки и отдельной обработки в зависимости от типов утилизируемых отходов. Традиционная утилизация пластиковых отходов бесспорно приводит к загрязнению окружающей среды, так как в случае захоронения отходов на полигонах для большинства полимерных материалов просто не существует микроорганизмов, способных превращать (перерабатывать) их в безопасные для окружающей среды вещества. А при сжигании образуется значительное количество газообразных и твердых отходов, которые, в свою очередь, также необходимо утилизировать.
Существует ряд методов вторичного использования ПЭ и ПП. В большинстве этих способов используются различные методы и устройства вторичного формования изделий из отходов пластмасс. Основным недостатком этих методов является то, что механические свойства изделий из вторичных пластмасс ухудшаются на 15-20% по сравнению с исходными изделиями [1].
Среди известных технологий переработки отходов следует особо выделить пиролиз - метод контролируемого термического разложения исходного сырья без доступа кислорода. В результате пиролизной переработки сырья получается кондиционная продукция: котельное (печное) топливо (используется по прямому назначению и для получения компонентов дизельной (бензиновой) фракции при наличии ректификационной колонны); пиролизный газ (используется в качестве топлива для работы установки); сухой углеродный остаток 4-го класса опасности (используется на местные, строительные и рекультивационные нужды, а также вводится как наполнитель в бетонные смеси); тепло, выделяемое в процессе переработки (используется для обогрева помещений).
Пиролиз представляет собой совокупность элементарных реакций разложения (деструкции) органического вещества на продукты с меньшей молекулярной массой. Реакции протекают как последовательно, так и параллельно и при этом неразрывно связаны между собой.
На сегодняшний день существует ряд классификаций пиролиза, а именно:
- сухой пиролиз (без доступа кислорода) и окислительный пиролиз (при частичном сжигании отходов или в результате прямой обработки отходов горячими дымовыми газами);
- низкотемпературный пиролиз (300-550°C), направленный преимущественно на получение продуктов жидкой фракции; среднетемпературный пиролиз (550-800°C), направленный на получение продуктов всех фракций;
- высокотемпературный пиролиз (свыше 900°C), направленный на получение газообразных продуктов процесса;
- пиролиз, реализуемый в установках циклического (периодического) и непрерывного действия.
Однако в странах СНГ, включая Россию и Украину, процесс переработки отходов методом пиролиза пока не получил большого распространения. Причиной этого является, во-первых, сложность в эксплуатации представленных на рынке стран СНГ технологий и оборудования, во-вторых, отсутствие опыта у местных производителей, не дающих гарантии функционирования установок, и, в-третьих, отсутствие эффективных технологий пиролиза и устройств, реализующих эти технологии. Как следствие - высокая стоимость зарубежных аналогов.
Цель работы- исследование утилизации твердых полимерных отходов методом пиролиза, выбор наиболее перспективного направления и научно обоснованная разработка способа переработки отходов карбоцепных термопластов.
Для достижения поставленной цели решения требуют следующие задачи:
1. Обосновать актуальность и необходимость выбранной темы для выпускной квалификационной работы.
2. Собрать статистические данные образования отходов полимеров.
3. Исследовать имеющиеся на данный момент технологии утилизации отходов полимеров и произвести их сравнительный анализ.
4. Рассмотреть малоизвестные, но перспективные методы, не нашедшие широкого применения на сегодняшний день, для утилизации отходов.
5. Провести патентный поиск и на его основе предложить способ переработки отходов.
Объект исследования: способы, направления переработки, готовые патентные решения (изобретения).
Предмет исследования: возможность переработки отходов карбоцепных термопластов методом пиролиза, определение состава продуктов пиролиза термопластичных полимеров.
Научная новизна:
Предложен способ, который относится к переработке и утилизации синтетических полимерных материалов и может быть применено для переработки отходов карбоцепных термопластов в смесь низкомолекулярных углеводородов с последующим выделением из полученной смеси мономеров - исходных соединений для производства полимеров. Способ переработки отходов карбоцепных термопластов включает стадию термоожижения сырья, стадию его термического разложения, стадии выделения продуктов разложения и их фракционирования. При этом стадию термического разложения проводят методом пиролиза при температуре 500-600°С и атмосферном или небольшом избыточном давлении в токе газа-разбавителя. Переработка отходов карбоцепных термопластов данным способом может быть совмещена с пиролизом нефтяного сырья в производстве этилена.
Практическая значимость работы:
Разработана принципиальная схема переработки отходов термопластов, которая вдальнейшем может внедряться на производства, например, этилена. Полученью программы отдельных фракций могут использоваться для дальнейшего изучения структуры термопластов и фракционного состава по компонентно. Расчет колонны для абсорбции показал, возможность использования описанного метода на практике.
Положения, выносимые на защиту:
Научная обоснованность и достоверность
Апробация работы и публикации:
Работа опубликована на научной конференции ТГУ от 19.04.19 и подана заявка на патент № 2018141306/05
Структура и объем диссертации:
Диссертация состоит из трех глав, введения, заключения и списка использованных источников. Работа изложена на 91 листе, 6 рисунков и 10 таблиц.
Накопление бытовых и промышленных отходов в Поволжском регионе увеличивается с каждым годом в основном из-за стремления людей к лучшему уровню жизни и экономически выгодным для них материалам (изделиям). Однако это ухудшает состояние окружающей среды. Перспективной альтернативой может стать переработка карбоцепных термопластов методом пиролиза.
В результате выполненной диссертационной работы мной были получены результаты, описанные далее.
При сравнении разных направлений утилизации, а также дальнейшего их использования и эколого-экономических составляющих, было принято решение остановится на таком методе как пиролиз, и в последствии произведен патентный обзор опираясь именно на пиролиз твердых бытовых отходов.
Анализ изобретений разных авторов и знакомство с их работами заставил задуматься о рассмотрении и составлении принципиальной «Блок-схемы», состоящей из таких узлов как термоожижение, пиролиз, охлаждение, адсорбция, десорбция, компримирование и газоразделение, и последующей возможности реализации ее на производстве.
Разработанная схема также поставила ряд не решенных вопросов, таких как определение состава продуктов пиролиза термопластичных полимеров и рентабельность узлов, обозначенных на схеме.
Для ответа на первый вопрос был поставлен лабораторный опыт, на установке, в состав которой входили пиролизёр, пиролитическая приставка (печного типа) и газовый хроматограф, оснащённый капиллярной колонкой и пламенно-ионизационным детектором, проводили пиролиз пробы отходов полиэтилена, полипропилена, полистирола и смеси (полиэтилен, полипропилен, полистирол) всего получилось 4 опыта, однако стадию термического разложения проводили методом пиролиза при температуре 500-600°С и давлении не более 0,107 МПа в токе газа-разбавителя. Таким образом, предложенным способом переработки отходов карбоцепных термопластов были получены смеси низкомолекулярных углеводородов, из которой могли быть выделены мономеры (этилен, пропилен, изобутилен, бутадиен-1,3, стирол), другими словами это исходные соединения для производства полимеров.
Используя данные эксперимента произведен расчёт двух абсорбционных колон (насадочная и тарельчатая), в которых сырьем были полиэтилен и смесь, описанная ранее, в двух случаях наиболее выгодной оказалась насадочная колонна, поэтому для того чтобы тщательнее рассмотреть эту задачу, проводились расчеты различных видов насадок, в результате наиболее рентабельной оказалась насадка «Инталокс».
Таким образом, технический результат от использования предложенного технического решения заключается в создании возможности переработки отходов карбоцепных термопластов в мономеры для их использования в дальнейшем производстве.
В результате выполненной диссертационной работы мной были получены результаты, описанные далее.
При сравнении разных направлений утилизации, а также дальнейшего их использования и эколого-экономических составляющих, было принято решение остановится на таком методе как пиролиз, и в последствии произведен патентный обзор опираясь именно на пиролиз твердых бытовых отходов.
Анализ изобретений разных авторов и знакомство с их работами заставил задуматься о рассмотрении и составлении принципиальной «Блок-схемы», состоящей из таких узлов как термоожижение, пиролиз, охлаждение, адсорбция, десорбция, компримирование и газоразделение, и последующей возможности реализации ее на производстве.
Разработанная схема также поставила ряд не решенных вопросов, таких как определение состава продуктов пиролиза термопластичных полимеров и рентабельность узлов, обозначенных на схеме.
Для ответа на первый вопрос был поставлен лабораторный опыт, на установке, в состав которой входили пиролизёр, пиролитическая приставка (печного типа) и газовый хроматограф, оснащённый капиллярной колонкой и пламенно-ионизационным детектором, проводили пиролиз пробы отходов полиэтилена, полипропилена, полистирола и смеси (полиэтилен, полипропилен, полистирол) всего получилось 4 опыта, однако стадию термического разложения проводили методом пиролиза при температуре 500-600°С и давлении не более 0,107 МПа в токе газа-разбавителя. Таким образом, предложенным способом переработки отходов карбоцепных термопластов были получены смеси низкомолекулярных углеводородов, из которой могли быть выделены мономеры (этилен, пропилен, изобутилен, бутадиен-1,3, стирол), другими словами это исходные соединения для производства полимеров.
Используя данные эксперимента произведен расчёт двух абсорбционных колон (насадочная и тарельчатая), в которых сырьем были полиэтилен и смесь, описанная ранее, в двух случаях наиболее выгодной оказалась насадочная колонна, поэтому для того чтобы тщательнее рассмотреть эту задачу, проводились расчеты различных видов насадок, в результате наиболее рентабельной оказалась насадка «Инталокс».
Таким образом, технический результат от использования предложенного технического решения заключается в создании возможности переработки отходов карбоцепных термопластов в мономеры для их использования в дальнейшем производстве.