特表 2025-502124 プラスチック熱分解加熱／反応方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2025-01-24

(54)【発明の名称】プラスチック熱分解加熱／反応方法

(51)【国際特許分類】

   C10G 1/10 20060101AFI20250117BHJP

   C08J 11/12 20060101ALI20250117BHJP

   C10B 53/07 20060101ALI20250117BHJP

【ＦＩ】

C10G1/10 ZAB

C08J11/12

C10B53/07

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024541185

(86)(22)【出願日】2023-01-11

(85)【翻訳文提出日】2024-07-30

(86)【国際出願番号】 US2023010603

(87)【国際公開番号】W WO2023137068

(87)【国際公開日】2023-07-20

(31)【優先権主張番号】63/266,809

(32)【優先日】2022-01-14

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】522005594

【氏名又は名称】ルーマス テクノロジー エルエルシー

(74)【代理人】

【識別番号】110000659

【氏名又は名称】弁理士法人広江アソシエイツ特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】チャクラボルティ，スディプト

(72)【発明者】

【氏名】チェン，リャン

(72)【発明者】

【氏名】チュウ，テチュン

(72)【発明者】

【氏名】ソム，マノジ

(72)【発明者】

【氏名】ギモン，デビッド，リー

(72)【発明者】

【氏名】フェルナルド，ダニエル，ティー．

(72)【発明者】

【氏名】ジブ，リチャード，ジョン

(72)【発明者】

【氏名】ヘルバネク，ロン

【テーマコード（参考）】

4F401

4H012

4H129

【Ｆターム（参考）】

4F401AA09

4F401AA10

4F401AA11

4F401AA17

4F401AA22

4F401AA23

4F401AA24

4F401BA06

4F401CA70

4F401FA01Y

4F401FA06Z

4H012HB00

4H129AA01

4H129BA04

4H129BB03

4H129BC06

4H129BC12

4H129NA22

(57)【要約】

１つ以上の加熱段階において、廃プラスチックを初期温度からピーク熱分解温度に加熱することと、最終熱分解段階において、廃プラスチックの温度をピーク熱分解温度未満の熱分解反応温度で維持するのに十分な熱入力を提供し、廃プラスチックを熱分解反応温度で一定期間にわたって維持して、廃プラスチックの一部分を熱分解生成物及びピッチに変換することと、を含む、廃プラスチックを熱分解するためのシステム及びプロセス。プロセスは、熱分解生成物を回収することと、ピッチを回収することと、を更に含む。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

廃プラスチックを熱分解するためのプロセスであって、前記プロセスが、
１つ以上の加熱段階において、廃プラスチックを初期温度からピーク熱分解温度に加熱することと、
最終的な熱分解段階において、前記廃プラスチックの温度を前記ピーク熱分解温度未満の熱分解反応温度で維持するのに十分な熱入力を提供し、前記廃プラスチックを前記熱分解反応温度で一定期間にわたって維持して、前記廃プラスチックの一部分を熱分解生成物及びピッチに変換することと、
前記熱分解生成物を回収することと、
前記ピッチを回収することと、を含む、プロセス。

【請求項2】

前記廃プラスチックの熱分解生成物への全体的な変換が、約９０重量％～９７重量％の範囲内にある、請求項１に記載のプロセス。

【請求項3】

前記廃プラスチックのピッチへの変換が、約３重量％～１０重量％の範囲内にある、請求項１に記載のプロセス。

【請求項4】

前記廃プラスチックの１重量％未満が、コークス又はチャーに変換される、請求項１に記載のプロセス。

【請求項5】

廃プラスチックを熱分解するためのプロセスであって、前記プロセスが、
廃プラスチックを初期温度から第１の温度に加熱し、前記廃プラスチックを前記第１の温度で第１の期間にわたって維持して、第１の加熱プラスチックを生成することと、
前記第１の加熱プラスチックを第２の温度に加熱し、前記第１の加熱プラスチックを前記第２の温度で第２の期間にわたって維持して、第２の加熱プラスチックを生成することと、
前記第２の加熱プラスチックを第３の温度に加熱し、前記第２の加熱プラスチックを前記第３の温度で第３の期間にわたって維持して、第３の加熱プラスチックを生成することと、
前記第３の加熱プラスチックを第４のピーク温度に加熱し、第４の加熱プラスチックを生成することと、
前記第４の加熱プラスチックの温度を第５の温度に維持するために十分な熱入力を提供し、前記第４の加熱プラスチックを前記第５の温度で第４の期間にわたって維持することと、を含み、
前記第１の温度が、前記第２の温度未満であり、前記第２の温度が、前記第３の温度未満であり、前記第３の温度が、前記第４のピーク温度未満であり、前記第５の温度が、前記第４のピーク温度未満である、プロセス。

【請求項6】

前記第２の温度から前記第３の温度までの℃／分での加熱速度が、前記第３の温度から前記第４のピーク温度までの加熱速度未満である、請求項５に記載のプロセス。

【請求項7】

前記初期温度から前記第１の温度までの℃／分での加熱速度が、前記第１の温度から前記第２の温度までの加熱速度に等しい、請求項５に記載のプロセス。

【請求項8】

前記第１の温度から前記第２の温度までの℃／分での加熱速度が、前記第２の温度から前記第３の温度までの加熱速度に等しい、請求項５に記載のプロセス。

【請求項9】

前記第１の期間、第２の期間、及び第４の期間が、各々、前記第３の期間よりも持続時間が長い、請求項５に記載のプロセス。

【請求項10】

前記第３の期間対前記第２の期間の比が、１：１０～１：３０の範囲内にある、請求項９に記載のプロセス。

【請求項11】

前記第４の期間対前記第３の期間の比が、３：１～１２：１の範囲内にある、請求項９に記載のプロセス。

【請求項12】

前記初期温度が、０℃～３５℃の範囲内にあり、
前記第１の温度が、９０℃～１５０℃の範囲内にあり、
前記第２の温度が、２５０℃～３５０℃の範囲内にあり、
前記第３の温度が、約３００℃～４５０℃の範囲内にあり、
前記第４のピーク温度が、４５０℃～５５０℃の範囲内にあり、
前記第５の温度が、４００℃～５００℃の範囲内にある、請求項５に記載のプロセス。

【請求項13】

前記第３の加熱プラスチックを、第４のピーク温度に加熱することが、
前記第３の加熱プラスチックを、５０℃／分超の加熱速度で中間温度に加熱することと、
前記第３の加熱プラスチックを前記中間温度から前記第４のピーク温度に、１５℃／分～３０℃／分の範囲内の加熱速度で加熱することと、を含む、請求項５に記載のプロセス。

【請求項14】

前記第３の加熱プラスチックを、５０℃／分を超える加熱速度で中間温度に加熱することは、前記第３の加熱プラスチックを、１００℃／分～２００℃／分の範囲の速度で加熱することを含む、請求項１３に記載のプロセス。

【請求項15】

廃プラスチックを熱分解するためのプロセスであって、前記プロセスが、
融解タンク内で廃プラスチック材料を加熱及び融解して、融解されたプラスチックを生成することと、
前記融解されたプラスチックを前記融解タンクから熱分解反応器に移送することと、
前記熱分解反応器において、前記融解されたプラスチックをピーク温度に加熱し、その後、前記融解されたプラスチックの温度を、前記ピーク温度未満の反応温度で一定時間維持することと、
熱分解油生成物を回収することと、
ピッチを回収することと、を含む、プロセス。

【請求項16】

廃プラスチックを熱分解するためのシステムであって、前記システムが、
廃プラスチックを初期温度から第１の温度に加熱し、前記廃プラスチックを前記第１の温度で第１の期間にわたって維持し、第１の加熱プラスチックを生成するために構成された第１の加熱ゾーンと、
前記第１の加熱プラスチックを第２の温度に加熱し、前記第１の加熱プラスチックを前記第２の温度で第２の期間にわたって維持し、第２の加熱プラスチックを生成するために構成された第２の加熱ゾーンと、
前記第２の加熱プラスチックを第３の温度に加熱し、前記第２の加熱プラスチックを前記第３の温度で第３の期間にわたって維持し、第３の加熱プラスチックを生成するために構成された第３の加熱ゾーンと、
前記第３の加熱プラスチックを第４のピーク温度に加熱し、第４の加熱プラスチックを生成するために構成された第４の加熱ゾーンと、
前記第４の加熱プラスチックの温度を前記第４のピーク温度未満の第５の温度で維持するのに十分な熱入力を提供し、前記第４の加熱プラスチックを前記第５の温度で第４の期間にわたって維持するために構成された第５の加熱ゾーンと、を備える、システム。

【請求項17】

各加熱ゾーンへの熱入力を制御するように構成された制御システムを更に備える、請求項１６に記載のシステム。

【請求項18】

前記第４の加熱ゾーンが、前記第３の加熱プラスチックを５０℃／分～２００℃／分の速度で加熱するのに十分な熱を提供するように構成された第１の加熱セクションと、前記第３の加熱プラスチックを１５℃／分～３０℃／分の速度で加熱するのに十分な熱を提供するように構成された第２の加熱セクションと、を含む、２つの加熱セクションを備える、請求項１６に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示の実施形態は、概して、廃プラスチック材料の熱分解に関する。より具体的には、本明細書における実施形態は、所望の生成物混合物及び全体的な変換を達成するための一連の反応工程を通じて廃プラスチック供給材料を漸進的に進めるための方法に関する。

【背景技術】

【0002】

プラスチックの熱分解は、多くの場合、バッチプロセスで実施され、バッチは、バッチの反応が完了するまで、単一の設定点温度まで上がるか、又は一定の熱入力速度で提供される。他のプロセスは、定義された設定温度及びゾーン当たりの滞留時間を伴い、一連の加熱ゾーンを通して供給物を進める。

【0003】

例えば、ＵＳ７８８３６０５は、炭化水素材料を熱分解するためのプロセスを記載し、それによって、加熱速度は、０．２５～２７ｋＷ／ｋｇの範囲内で、反応器電荷に基づいて、定義される。

【0004】

ＵＳ１０４２１９１１（Ａｌｔｅｒｒａ）は、（更なる）不安定化及び脱ハロゲン化のためのゾーン、並びに熱分解された炭化水素材料の熱分解及び脱揮のためのゾーンを含む押出機セクション（少なくとも３つのゾーンを有する）及びマルチゾーン窯反応器（少なくとも２つのゾーンを有する）を記載する。窯及び押出機は、流体連通している。各ゾーンは、以下のように温度及び滞留時間を有する：
３つのゾーン（押出機１～３）、４つのゾーン（リボンミキサ＋ねじコンベア４～７）。
ゾーン１－供給／押出機／粘性放散による加熱（電気エネルギーの入力）。
ゾーン２－圧縮－押出機－空気及び蒸気を排出、２２０°Ｆ及び０．１気圧で３分。
ゾーン３－融解－押出機、１５～４５分間、２２０～５７２°Ｆ。
ゾーン４－混合及び脱ハロゲン化、３０～１２０分間、５７２～６９０°Ｆ、任意選択で、パラフィンワックス（３０～７０炭素数）の除去、開いたセグメントを有するリボンミキサ、任意選択的に、らせん状ねじなし、リボンミキサのみ。全凝縮性生成物のうち、２～２２％は、ゾーン４からであり得る。
ゾーン５－熱分解、３０～９０分間、６９０～７４０°Ｆ（下）及び８５０～９１０°Ｆ（上）。
ゾーン６－脱揮、５ｐｓｉｇ（好ましくは０．８ｐｓｉｇ）未満で１５～６０分間、１１００～１２００°Ｆ（５９３～６４９℃）。
ゾーン７－チャー、１５～３０分間、最大１８００°Ｆ。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

一定の熱入力又は温度の上昇を有するこのようなプロセスは、多くのチャー又はコークスを生成し得、大量の望ましくない生成物をもたらし得る。

【課題を解決するための手段】

【0006】

発明の概要
本明細書における実施形態は、より高い容量で高い液体収率を実現することを可能にし得る。更に、コークス又はチャーを生成する代わりに、望ましい液体生成物に加えて、本明細書における実施形態は、チャーの形成を可能にする代わりに、ピッチ生成物を生成し得る。

【0007】

一態様では、本明細書において開示される実施形態は、廃プラスチックを熱分解するためのプロセスに関する。プロセスは、１つ以上の加熱段階において、廃プラスチックを初期温度からピーク熱分解温度に加熱することと、最終熱分解段階において、廃プラスチックの温度をピーク熱分解温度未満の熱分解反応温度で維持するのに十分な熱入力を提供し、廃プラスチックを熱分解反応温度で一定期間にわたって維持して、廃プラスチックの一部分を熱分解生成物及びピッチに変換することと、を含む。プロセスは、熱分解生成物を回収することと、ピッチを回収することと、を更に含む。

【0008】

別の態様では、本明細書において開示される実施形態は、廃プラスチックを熱分解するためのプロセスに関する。プロセスは、廃プラスチックを初期温度から第１の温度に加熱することと、廃プラスチックを第１の温度で第１の期間にわたって維持し、第１の加熱プラスチックを生成することと、を含む。プロセスはまた、第１の加熱プラスチックを第２の温度に加熱することと、第１の加熱プラスチックを第２の温度で第２の期間にわたって維持し、第２の加熱プラスチックを生成することと、を含む。加熱して第２の加熱プラスチックを形成した後、プロセスは、第２の加熱プラスチックを第３の温度に加熱し、第２の加熱プラスチックを第３の温度で第３の期間にわたって維持し、第３の加熱プラスチックを生成すること、並びに第３の加熱プラスチックを第４のピーク温度に加熱し、第４の加熱プラスチックを生成することを含む。熱入力は、第４の加熱プラスチックの温度を第５の温度で維持し、第４の加熱プラスチックを第５の温度で第４の期間にわたって維持するために提供される。第１の温度は、第２の温度未満であり、第２の温度は、第３の温度未満であり、第３の温度は、第４の温度未満であり、第５の温度は、第４の温度未満である。

【0009】

別の態様では、本明細書に開示される実施形態は、廃プラスチックを熱分解するためのプロセスに関する。プロセスは、融解タンク内で廃プラスチック材料を加熱及び融解して、融解されたプラスチックを生成することを含み得る。プロセスは、融解されたプラスチックを融解タンクから熱分解反応器に輸送することと、熱分解反応器において、融解されたプラスチックをピーク温度に加熱し、その後、融解されたプラスチックの温度をピーク温度未満の反応温度で一定時間にわたって維持することと、を更に含む。熱分解油生成物及びピッチは、各々、反応器から回収される。

【0010】

更に別の態様では、本明細書において開示される実施形態は、廃プラスチックを熱分解するためのシステムに関する。システムは、第１の加熱ゾーン、第２の加熱ゾーン、第３の加熱ゾーン、第４の加熱ゾーン、及び第５の加熱ゾーンの各々を含む。第１の加熱ゾーンは、廃プラスチックを初期温度から第１の温度に加熱し、廃プラスチックを第１の温度で第１の期間にわたって維持し、第１の加熱プラスチックを生成するために構成される。第２の加熱ゾーンは、第１の加熱プラスチックを第２の温度に加熱し、第１の加熱プラスチックを第２の温度で第２の期間にわたって維持し、第２の加熱プラスチックを生成するために構成される。第３の加熱ゾーンは、第２の加熱プラスチックを第３の温度に加熱し、第２の加熱プラスチックを第３の温度で第３の期間にわたって維持し、第３の加熱プラスチックを生成するために構成される。第４の加熱ゾーンは、第３の加熱プラスチックを第４のピーク温度に加熱し、第４の加熱プラスチックを生成するために構成される。第５の加熱ゾーンは、第４の加熱プラスチックの温度を第４の温度未満の第５の温度で維持するのに十分な熱入力を提供し、第４の加熱プラスチックを第５の温度で第４の期間にわたって維持するために構成される。

【0011】

他の態様及び利点は、以下の明細書及び添付の特許請求の範囲から明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本明細書において開示される１つ以上の実施形態による廃プラスチックを熱分解するためのシステムを例解する。

【図2】本明細書において開示される１つ以上の実施形態による、廃プラスチックを熱分解するための反応温度－滞留時間プロファイルを例解する。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本明細書における実施形態は、廃プラスチックを有用な石油化学物質及び他の中間体又は最終生成物に変換するための熱化学プロセスを対象とする。より具体的には、本明細書における実施形態は、廃プラスチック変換プロセス中にコークスの形成を制限するか、最小限に抑えるか、又は無効化しながら、廃プラスチックを有用な石油化学製品に選択的に変換するように構成されたプロセス及びシステムを対象とする。

【0014】

例えば、プラスチック、エラストマー、及び他のポリマー材料などの廃棄材料は、本明細書における実施形態による熱分解を経て、ポリマー材料を分解し、熱分解油を形成し得る。次いで、そのような廃棄物由来の熱分解油は、触媒又は熱分解などの下流反応器において処理されて、オレフィン及び石油化学中間体を形成し得る。そのようなオレフィン及び石油化学中間体は、次いで、熱可塑性物質及びエラストマーポリマーを含むポリマー材料を再び形成するために使用され得、いくつかの実施形態では、真に環状のポリマーを提供する。

【0015】

廃棄物由来の炭化水素流は、本明細書における実施形態により、熱可塑性物質、タイヤ、又は他のポリマー材料などのポリマー材料を含む廃棄物流を熱分解し、廃プラスチック熱分解油を生成することによって誘導され得る。廃プラスチック熱分解油を形成するために熱分解され得るポリマーとしては、熱可塑性物質、熱硬化性物質、及びエラストマーが挙げられ得る。例えば、廃プラスチック熱分解油を形成するために熱分解を経る廃棄物としては、他の多くの熱可塑性物質の中でもポリスチレン、ポリプロピレン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキシド、ポリエチレン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリオキシメチレン、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネート、ポリベンズイミダゾール、ポリ乳酸、ナイロン、及びポリメチルメタクリル酸（ＰＭＭＡ）などのアクリルポリマーが挙げられ得る。本明細書において有用な廃プラスチック熱分解油はまた、ポリブタジエン、イソプレン、スチレンブタジエン、エチレン酢酸ビニル、及び多くの他のものなど、当該技術分野で既知の様々な不飽和又は飽和エラストマー及びゴムから形成され得る。本明細書における実施形態は、上記で列挙されるもの、並びに当該技術分野で既知の他のものを含む、ある量のヘテロ原子含有ポリマーを処理するのに十分に堅牢であり得る、しかしながら、結果として生じる廃プラスチック熱分解油のヘテロ原子含有量は、典型的には、２重量％未満、例えば、１重量％未満、又は０．５重量％未満であろう。

【0016】

本明細書における実施形態によるプラスチック原料の熱分解は、プラスチック原料を、約３５０℃～約６００℃などの、３００℃～８５０℃の範囲内にある温度などの高温に加熱することによって行われ得る。プラスチックの熱分解は、軽質気体炭化水素生成物及び液体炭化水素生成物を含む、様々な炭化水素を生成し得る。

【0017】

プロセスの熱メカニズムは、本質的に非触媒であり、熱破壊によってプラスチック原料中のポリマー結合を破壊する。熱分解の程度は、融解タンク及び反応器の温度に関する。概して、温度が高いほど、原料プラスチックの熱分解量が大きくなり、生成物の分子量が低くなる（すなわち、ポリマー鎖は、より少ない炭素原子でより小さいセグメントに分解される）。したがって、使用されるプロセス温度は、高すぎる状態（より高い気体製造及びより軽い低粘度の液体生成物をもたらす）と、低すぎる状態（より低い気体収率及びより重い高粘度の液体生成物をもたらす）との間のバランスをとる作用である。

【0018】

原料プラスチックの組成物における変化は、廃プラスチック材料を融解及び熱分解するための好ましい温度に影響を与えることになる。特に、原料中のＰＶＣ並びに高密度ＰＰ及びＰＥの量の増加は、温度の上昇を必要とすることになる。同様に、原料中のＰＶＣの量の低減とともに、低密度ＰＰ及びＰＥの量の増加は、より低いプロセス温度の使用を可能にすることになる。

【0019】

融解及び熱分解後、本明細書における実施形態は、次いで、分画を使用して、気体及び液体を所望の生成物流に分離し得る。本明細書における実施形態は、以下の生成物スレート：（ｉ）可燃性熱分解気体、（ｉｉ）未処理ナフサ又はガソリンと同様の物理的及び化学的特性を有するより軽い液体生成物、（ｉｉｉ）未処理ディーゼル及び重油と同様の物理的及び化学的特性を有するより重い液体生成物、並びに（ｉｖ）他の精製プロセスからのアスファルテンとブレンドすることができる重質液体ピッチ生成物を提供し得る。

【0020】

本明細書における実施形態の１つの利点は、プラスチック原料組成物及び容量における変形を処理するためのその単純さ及び柔軟性である。更に、本明細書におけるプロセスの実施形態は、いかなる触媒又は添加剤の添加を必要としないため、プロセスは、生成物の収率及び特性を制御するために、非常に簡単な一次プロセス制御（すなわち、温度）を必要とする。特に、本明細書における実施形態は、融解及び熱分解段階全体の温度を制御して、熱分解液体を選択的に生成し、一方でチャー又はコークスの形成がほとんど又はまったくないことを対象とする。

【0021】

本明細書における実施形態による廃プラスチックを融解及び熱分解するためのプロセスは、バッチ、半バッチ、又は連続操作で実行され得る。複数のタイプの反応器設計は、本明細書において開示されるプロセスに対応するために使用され得る。更に、本明細書におけるプロセスは、全ての融解及び反応段階のための単一の容器などの１つ以上の容器若しくは反応器、又は廃プラスチックを融解するための第１の容器及びポリマー融解物を熱分解するための第２の容器などの複数の容器内で実施され得る。

【0022】

特に、本明細書における実施形態によるプロセスは、目標温度及び変換を達成するために、別個の持続時間にわたって定義された加熱速度のシーケンスを通してプラスチック供給材料を漸進的に進めることができる。１つ以上の加熱段階では、廃プラスチック材料は、初期温度からピーク熱分解温度に加熱され得る。ピーク熱分解温度に達した後、最終熱分解段階では、熱入力が提供され得、これは、ピーク熱分解温度未満の熱分解反応温度で廃プラスチックの温度を維持するのに十分であり得る。熱分解反応温度における廃プラスチックは、一定期間にわたって維持されて、廃プラスチックを熱分解生成物及びピッチに変換することができる。

【0023】

上述したように、ポリマーを熱分解のために単一の設定点温度に達するようにするか、又は著しい量のチャーを形成する温度まで加熱し続けることは、現在一般的な慣行である。これらのプロセスとは対照的に、目標温度又は安定した熱入力を達成しようとするのではなく、供給物の加熱速度を制御することによって、全体的な反応速度及び収率のより大きい制御が達成されることが見出されている。可能な場合は迅速に、必要な場合はゆっくりと熱を追加することによって、プロセスの全体的な期間が最適化され得る。これにより、大容量の連続プラントのためのより経済的な反応器設計がもたらされ得る。更に、３０重量％未満、又は４０重量％未満、又は５０重量％未満、又は６０重量％未満の変換が達成される場合など、変換プロセスにおける早い段階でピーク温度に達することによって、ピーク熱分解温度よりも低い温度で熱分解反応が進行するために著しく多くの水素が利用可能であり、非常に低量のコークス又はチャーの形成をもたらす。

【0024】

本明細書における実施形態は、熱分解反応が発生しそうにない、又は非常に遅い速度で発生する温度までの融解された供給物の急速な加熱を目的とし得る。これは、加熱表面の需要を低減しながら、高気体発生の可能性を無効化するか、又は低減する場合がある。これに、高温に低減された加熱速度が続く。この工程は、プラスチック供給物全体に均一な方式で感知可能な熱伝達を可能にする。高温は、変換プロセスの初期段階で反応速度を最大化するのに役立つ。この工程における短い滞留時間が、所望の変換を達成する。プラスチックが反応を促進するために必要なより感度の高い熱を有する最高温度でピークに達した後、１つの工程の余分な熱が、次の工程に搬送されて、エネルギーを提供する。このエネルギーキャリーオーバーは、反応温度が最も高く、最も熱が必要とされる瞬間に、熱伝達境界を通過するために必要な外部エネルギー需要を低減させる。このため、次の工程は、より低い温度で動作して、チャー又は固体コークスの代わりに最大の液体及びピッチを生成する。追加的に、より低い温度は、コークス製造に寄与するポリ芳香族形成反応を抑制する。いくつかの実施形態では、２重量％未満の供給物廃プラスチックがコークスに変換され得、他の実施形態では１重量％未満、更に他の実施形態では０．５重量％未満、更に他の実施形態では０．１重量％未満である。最終反応温度保持時間に応じて、供給プラスチックの重量に基づいて、９０重量％超の変換、例えば、９４重量％超、９５重量％超、又は９６重量％超などが達成され得る一方、ピッチは、３重量％～１０重量％の範囲内で生成され得る。様々な実施形態では、本明細書における実施形態によって生成された生成混合物は、廃プラスチックの熱分解液体（６５重量％～７５重量％）、熱分解気体（２０重量％～３０重量％）、及びピッチ（２～８重量％）への変換を提供し得る。廃プラスチックからコークスへの変換は、ほとんど又はまったく発生しない。

【0025】

本明細書における１つ以上の実施形態は、プラスチック原料の融解流が以下のように一連の別個の工程、段階、又はゾーンにおいて熱分解反応を通る連続的又はバッチプロセスを対象とする。プロセスのタイプ又は工程、段階、若しくはゾーンの数にかかわらず、ピーク温度を達成し、次いでピーク温度未満で熱分解を継続するプロセス法は、上で説明されたような好ましい生成物混合物を提供することが見出されている。

【0026】

工程１では、連続的な融解された供給物又はバッチ搭載を、２５０℃～４１５℃、又は２７５℃～４１０℃、例えば、３００℃～４００℃の温度でプロセスに導入する。再凝縮しない生成された気体及び蒸気は、システムを離れ、残りの供給物／バッチが、次の工程に進む。

【0027】

工程２では、熱エネルギーを、３０℃／分～２００℃／分の速度、例えば、５０℃／分～１７５℃／分の速度で供給物／バッチに追加する。この工程の目標温度は、３８０℃～４５０℃、例えば、４００℃～４３０℃である。生成され、再凝縮しない蒸気がシステムを出て、残りの供給物／バッチが次の工程に進む。この工程では、最大加熱速度が目標とされる。

【0028】

工程３では、熱の形態の熱エネルギーを、１５℃／分～３０℃／分、例えば、約２０℃／分～２５℃／分の速度で供給物／バッチに追加する。この工程の目標温度は、４５０℃～５５０℃、例えば、４７０℃～５００℃の温度である。生成され、再凝縮しない蒸気はシステムを出て、残りの供給物／バッチが次の工程に進む。反応のこの工程において、最大反応速度が達成され、かつ目標とされる。

【0029】

工程４では、液体生成物を最大化するのに役立つ反応速度を遅くするために、この工程を使用して、供給物の吸熱反応を使用することによって、残りの供給物を４２５℃～４８５℃、例えば、４３５℃～４７５℃の温度に冷却する。いくつかの実施形態では、この工程を使用して、残りの供給物を４３５℃～４６５℃又は４４５℃～４６５℃の温度に冷却する。十分な量の熱が供給物／バッチに追加されて、追加された正味の熱、及び吸熱反応によって消費された熱がバランスをとり、所望の温度に達し、かつ所望の温度を維持する。これにより、全体的な加熱速度は－２０℃／分～－２００℃／分になる（負の符号は冷却を示す）。生成され、再凝縮しない気体及び蒸気は、システムを出て、残りの供給物／バッチが次の工程に進む。組み合わされた工程１～４は、いくつかの実施形態では、合計で２～６０分、例えば、２～２０分の持続時間であり得る。

【0030】

工程５では、熱エネルギーを加えて、４２５℃～４７５℃、例えば、４３５℃～４６５℃の範囲内のより低い反応温度を維持する。この工程におけるより低い反応温度は、コークス化を最小限に抑え、液体収率を更に高め、重質液体中の芳香族を最小限に抑えるために使用される。この工程では、最大９０重量％、最大９５重量％、又は最大９７重量％の供給物の全体的な変換が達成され、液体形態の残りのピッチ材料が結果として生じる。この工程における滞留時間は、１５分～６０分、又は所望の変換を達成するために必要な滞留時間が維持される。ピッチは、反応システムから液体として取り出される。熱分解生成物は、蒸気として取り出される。

【0031】

上記の工程は、例えば、既に融解されたプラスチックを用いて、本明細書における実施形態によるバッチ又は連続熱分解反応器において実施され得るプロセスを概説する。本明細書における実施形態は、記載された工程又は同様の工程を有する上述の反応段階前の融解段階を含む、単一の容器において実施され得る。本明細書における他の実施形態は、融解されたポリマーを提供するための融解ゾーン／融解段階と、融解されたプラスチックを熱分解油に変換するための熱分解ゾーン／反応段階と、を含む複数の容器内で実施され得る。

【0032】

融解ゾーンは、プラスチック廃棄物を、ポリマーが融解されるために十分に高い温度であるが、熱分解反応が発生しにくいような十分に低い温度に加熱するために使用される（融解温度での滞留時間１時間当たり２重量％未満の変換、例えば、１時間当たり１重量％未満の変換）。次いで、融解されたプラスチックは、熱分解ゾーンに移動され得、ここで、融解物は、最初にピーク温度に加熱され得、続いて、ピーク温度未満の熱分解温度における継続的な反応が続く。

【0033】

本明細書における実施形態による熱化学プロセスの簡略化されたプロセスフロー図が、図１に例解される。プラスチック廃棄物供給物１０は、プラスチックを熱分解油に変換するために熱分解反応領域２０に供給され得、熱分解油は、軽質（Ｃ１～Ｃ４）炭化水素、ナフサ範囲の炭化水素、ディーゼル範囲の炭化水素、及び場合によりピッチまでのより重い炭化水素などの様々な炭化水素を含み得る。ピッチは、副産物流１２として回収され得、残りの変換生成物（熱分解油及び熱分解気体）は、１つ以上のフローライン１４を介して回収され得る。次いで、フローライン１４内の熱分解油／気体は、熱分解油を、前述の軽質炭化水素１５、ナフサ１６、ディーゼル１８、及び重質油画分１９などの様々な炭化水素画分に分離するために蒸留分離領域２２に供給され得る。様々な実施形態では、熱分解プロセスにおいて生成された気体は、例えば、軽質炭化水素１５の一部分を熱分解反応領域２０内の炉若しくは加熱デバイスに再循環させることによって、プロセス自体のためのエネルギー源として利用され得るか、又は捕捉され、分離されて、生成物として販売され得る。

【0034】

ポリマー供給物を融解及び熱分解するために使用される１つ以上の容器への熱入力は、容器の外部ジャケット内のバーナー及び燃焼排気チャネルを介したものであり得る。代替的に、電気加熱要素が使用され得るか、又は加熱流体を使用して、１つ以上の外部ジャケット若しくは内部コイルに熱を供給してもよい。全体として、本明細書の実施形態は、任意の１つの加熱方法に限定されないが、いくつかの方法は、他の方法よりも加熱速度のより大きい制御を提供し得る。制御システムが提供され得、制御システムは、以下で更に説明されるように、バルブ及び他のシステム構成要素を操作して、各加熱ゾーンへの熱入力を制御して、加熱速度及び温度を提供するように構成され得る。

【0035】

別個の融解及び反応セクションを使用する本明細書における実施形態では、反応は、典型的なプラスチック熱分解プロセスと比較して、はるかに小さい滞留時間（合計１５～９０分、例えば、１７．５～７５分）を伴い、相対的に低い熱分解温度で実行され得る。例えば、４５５℃～４７５℃の最高温度で最長の滞留時間ゾーンを動作させ、チャーを形成させる代わりにピッチ生成物を除去することによって、コークス化を最小限に抑える。

【0036】

全体的に、融解及び反応段階は、以下のように概説され得る。融解段階では、廃プラスチック材料は、初期温度から融解温度に加熱され得る。融解温度は、熱分解反応温度未満であり得る。いくつかの実施形態では、融解工程は、廃プラスチックを初期温度（Ｔ_０）から第１の温度（Ｔ_１）に加熱し、廃プラスチックを第１の温度で第１の期間にわたって維持し、第１の加熱プラスチックを生成する第１の工程、及び第１の加熱プラスチックを第２の温度（Ｔ_２）に加熱し、第１の加熱プラスチックを第２の温度で第２の期間にわたって維持し、第２の加熱プラスチックを生成する第２の工程などの複数の工程において実施され得る。第１の加熱工程は、例えば、廃プラスチック供給物とともに存在し得るあらゆる水分を除去するために提供され得、廃プラスチック供給物は、リサイクラーから、又ははつり若しくは細断システムなどの大量ポリマー廃棄物の上流処理から受容され得るような、細断されたプラスチック、ペレット、小繊維、チップ、又は塊の形態にあり得る。水分除去は、例えば、高温窒素を使用して発生し得、これは、ポリマー廃棄物を１００℃超であるがポリマーの融解温度未満の温度まで加熱し得る。水分除去後、ポリマーは、使用される融解温度が、処理されているポリマー廃棄物混合物に依存し得ることに留意して、２００℃～４００℃の範囲内にある温度など、ポリマーを融解するのに十分な温度まで加熱され得る。融解物の温度は、上述したように、この工程において、熱分解反応を開始するのに必要とする温度よりも低い温度で維持される。次いで、ポリマー融解物は、この温度で、熱分解前の融解された状態、又は熱分解反応ゾーンへの移送のために維持され得る。

【0037】

いくつかの実施形態では、初期温度（Ｔ_０）は、大気温度であり得る。例えば、廃プラスチックは、約－１０℃～４０℃、例えば、０℃～３５℃の範囲内にある温度で貯蔵され得る。第１の温度（Ｔ_１）は、約８０℃～約２００℃、例えば、約９０℃～約１５０℃の範囲内にあり得る。第２の温度（Ｔ_２）は、約２００℃～約４００℃、例えば、約２２５℃～約３７５℃、又は約２５０℃～約３５０℃の範囲内にあり得る。

【0038】

反応段階では、熱分解は、融解されたポリマーを第２の温度からピーク熱分解温度に加熱することによって行われ得る。ピーク熱分解温度までの加熱はまた、複数の工程で行われ得る。例えば、第１の熱分解工程は、第２の加熱（融解された）プラスチックを第３の温度（Ｔ_３）に加熱し、第２の加熱プラスチックを第３の温度で第３の期間にわたって維持し、第３の加熱プラスチックを生成するために使用され得る。第２の熱分解工程は、第３の加熱プラスチックを第４のピーク温度（Ｔ_４）に加熱し、第４の加熱プラスチックを生成することを含み得る。次いで、第４の加熱プラスチックの温度を第５の温度で維持し、第４の加熱プラスチックを第５の温度で第４の期間にわたって維持するのに十分な熱入力を提供することによって、第４の温度よりも低い第５の温度（Ｔ_５）で熱分解を継続し、廃プラスチックの所望の変換が達成されるまで熱分解反応を進行させ得る。

【0039】

第３の温度（Ｔ_３）は、約２７５℃～約４７５℃、例えば、約２８５℃～約４６５℃、又は約３００℃～約４５０℃の範囲内にあり得る。第４の温度（Ｔ_４）は、約４００℃～約６００℃、例えば、約４２５℃～約５７５℃、又は約４５０℃～約５５０℃の範囲内にあり得る。第５の温度（Ｔ_５）は、約４００℃～約５２５℃、例えば、約４００℃～約５００℃、又は約４２５℃～約４７５℃の範囲内にあり得る。

【0040】

上で概説したように、複数の加熱工程が、融解及び熱分解のために使用される場合、Ｔ１はＴ２未満、Ｔ２はＴ３未満、Ｔ３はＴ４未満、及びＴ５はＴ４、ピーク熱分解温度未満である。各加熱工程は、次の加熱工程の前の温度安定化（保持）時間を含み得る。かかるプロセス法は、液体／気体生成物の比、生成された液体画分の品質、並びに残留コークスを最小限に抑えることなどの生成物目標を達成し得る。

【0041】

様々な実施形態では、第１の期間、第２の期間、及び第４の期間は、各々、第３の期間よりも持続時間が長い。第３の期間対第２の期間の比は、いくつかの実施形態では、１：５～１：５０、他の実施形態では、１：１０～１：３０などの範囲内にある。第４の期間対第３の期間の比は、いくつかの実施形態では、２：１～１５：１の範囲内にあり得、他の実施形態では、３：１～１２：１などであり得る。

【0042】

いくつかの実施形態では、加熱又は熱分解反応は、ダウンフロー反応器内で連続的なプロセスとして行われ得、低温ポリマー又はポリマー融解物を容器又は反応器の上部に導入し、ポリマー融解物又はピッチを容器又は反応器の底部で取り出す。そのようなダウンフローシステムでは、容器のセクション又はゾーンにおいて生成された蒸気の熱エネルギーを利用して、容器の上流セクション又はゾーンに熱を提供し得る。蒸気の一部は、熱交換後に凝縮し、反応システムに戻ることができ、有効滞留時間を増加させることによって二次反応を促進する。これらの二次反応は、より多くの液体生成物の生成を促進し得る。

【0043】

いくつかの実施形態では、初期温度から第１の温度までの℃／分での加熱速度は、約１０℃／分～３０℃／分の範囲内にある。初期加熱速度は、第１の温度から第２の温度までの加熱速度と同様であってもよいか、第１の温度から第２の温度までの加熱速度に等しくてもよいか、第１の温度から第２の温度までの加熱速度より大きくてもよいか、又は第１の温度から第２の温度までの加熱速度未満であってもよい。いくつかの実施形態では、初期加熱速度は、第１の温度から第２の温度までの加熱速度と同様であってもよいか、又は第１の温度から第２の温度までの加熱速度に等しくてもよい。例えば、第１の温度から第２の温度までの加熱速度は、５℃／分～４０℃／分、１０℃／分～３０℃／分、又は２０℃／分～２５℃／分の範囲内にあり得る。同様に、第１の温度から第２の温度までの加熱速度は、第２の温度から第３の温度までの加熱速度と同様であってもよいか、第２の温度から第３の温度までの加熱速度に等しくてもよいか、第２の温度から第３の温度までの加熱速度より大きくてもよいか、又は第２の温度から第３の温度までの加熱速度未満であってもよい。いくつかの実施形態では、第１の温度から第２の温度までの加熱速度は、第２の温度から第３の温度までの加熱速度と同様であってもよいか、又は第２の温度から第３の温度までの加熱速度に等しくてもよい。

【0044】

いくつかの実施形態では、第２の温度から第３の温度までの℃／分での加熱速度は、第３の温度から第４の温度までの加熱速度未満である。例えば、第２の温度から第３の温度までの加熱速度は、５℃／分～４０℃／分、１０℃／分～３０℃／分、又は２０℃／分～２５℃／分の範囲内にあり得る。例えば、第３の温度から第４の温度までの加熱速度は、１５℃／分～２５０℃／分、例えば、２０℃／分～２００℃／分の範囲内にあり得る。いくつかの実施形態では、第３の温度から第４の温度までの加熱速度は、２つの加熱セクションにおいて、第３の加熱プラスチックを５０℃／分超の加熱速度で中間温度に加熱し、次いで、第３の加熱プラスチックを中間温度からピーク温度に、１０℃／分～４０℃／分、例えば、１５℃／分～３０℃／分の範囲内にある加熱速度で加熱することなどの複数の段階で実施され得る。第３の加熱プラスチックを、５０℃／分超の加熱速度で中間温度まで加熱することは、７５℃／分～２２５℃／分、例えば、１００℃／分～２００℃／分の範囲内の速度で第３の加熱プラスチックを加熱することを含み得る。

【0045】

実施例１
廃プラスチックを、図２に例解されるように、段階的に加熱した。一定の加熱速度を提供して、温度を初期温度（Ｔ_０）から第１の温度（Ｔ_１）に上げた。温度をＴ_１で一定期間にわたって保持し、水分の除去、及び廃プラスチックの温度の均質化を可能にした。水分除去後、一定の加熱速度を再び適用して、温度をＴ_１から第２の融解温度（Ｔ_２）に上げた。ポリマー融解物をＴ_２で保持し、その温度で安定化させ、相対的に均一な温度を有する融解物をもたらした。

【0046】

均一な融解温度を達成し、Ｔ_２で一定期間にわたって保持した後、ポリマー融解物を一定の加熱速度を使用して第３の温度Ｔ_３に加熱した。Ｔ_３は、プラスチックの熱分解をもたらすことになる、又は非常に遅い反応速度（Ｔ_３で短期間にわたって保持した後の５％未満の変換）で熱分解することになる温度をわずかに下回る温度として目標にされた。次いで、ポリマー融解物を急速に（＞５０℃／分）中間温度（Ｔ_{４、ｉｎｔ}）に加熱し、次いで加熱速度を低下させ（約２０℃／分）、ポリマー融解物をピーク熱分解温度（Ｔ_４）に加熱した。ピーク温度に達した後、ポリマー融解物を低い熱分解温度（Ｔ_５）に冷却し、Ｔ_５で一定期間にわたって保持して、廃プラスチックを熱分解した。ピーク温度Ｔ_４は、５０重量％未満の変換で達成され、Ｔ_５での反応の後、およそ９５重量％の変換が達成された。結果として生じる生成物混合物は、７０重量％の熱分解液体、２５重量％の熱分解気体、及び約５重量％のピッチを含んだ。本質的にコークス又はチャーは形成されなかった。

【0047】

上で説明したように、本明細書における実施形態は、ポリマーをピーク熱分解温度まで加熱し、その後、ピークよりも低い温度で熱分解反応を維持し得る。反応器又は反応サイクルの終わりではなく、より低い変換で温度をピークにし、コークスの形成を最小限に抑えながらより多くの高品質の熱分解油を生成することに利点があることが見出されている。これは、ピーク温度での全体的な混合物中のより多くの水素の存在の結果である。更に、「ピーク後冷却」スキームは、吸熱反応を利用する。比較上、浸漬温度よりも高いピーク温度を使用することで、反応器の反応及び性能が改善されるため、ピーク後冷却はまた、単により低い反応温度を維持するよりも有益であることも見出されている。

【0048】

別途定義されない限り、使用される全ての技術用語及び科学用語は、これらのシステム、装置、方法、プロセス、及び組成物が属する当業者に一般に理解される意味と同じ意味を有する。

【0049】

単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈が明示的に別様に示さない限り、複数参照を含む。

【0050】

本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用される場合、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「有する（ｈａｓ）」、及び「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」という単語、並びにそれらの全ての文法的変形は、各々、追加の要素又は工程を除外しない開放的、非限定的な意味を有することが意図される。

【0051】

「任意選択的に」は、続いて説明される事象又は状況が発生する場合もあれば、発生しない場合もあることを意味する。本明細書は、その事象又は状況が発生する場合と発生しない場合とを含む。

【0052】

「およそ」又は「約」という単語が使用されるとき、この用語は、最大±１０％、最大５％、最大２％、最大１％、最大０．５％、最大０．１％、又は最大０．０１％の値の変動があり得ることを意味し得る。

【0053】

範囲は、約１つの特定の値から約別の特定の値（両端の値を含む）までとして表され得る。このような範囲が表される場合、別の実施形態は、１つの特定の値から他の特定の値までであり、この範囲内の全ての特定の値及びそれらの組み合わせとともにあることを理解されたい。

【0054】

本開示は、限られた数の実施形態を含むが、本開示の利益を有する当業者は、本開示の範囲から逸脱しない他の実施形態が考案され得ることを理解するであろう。したがって、範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。
新規かつ特許状によって保護されることが所望されるものとして請求されているものが、以下である。

【図1】

【図2】

【国際調査報告】