Development of a reactor model for the scale-up of a polyolefin recycling process

Die moderne Wirtschaft ist stark auf Kunststoffe angewiesen, da diese einzigartige Eigenschaften wie kostengünstige Produktion, geringes Gewicht und Vielseitigkeit aufweisen, die von keinem anderen Material erreicht werden. Ein wesentlicher Nachteil ist jedoch die Beständigkeit von Kunststoffabfällen, die sich nur langsam durch natürliche Prozesse abbauen und erheblichen Aufwand für das Recycling erfordern. Um die Recyclingquoten zu verbessern, werden alternative Methoden zum traditionellen mechanischen Recycling und thermischen Verwertung erforscht. Eine solche Methode ist das ReOil®-Verfahren, das pyrolytische Zersetzung in einem kontinuierlichen Rohrreaktor anwendet, um die organischen Moleküle der Kunststoffe in kleinere Moleküle zu zerlegen. Diese kleineren Moleküle können wiederverwendet werden, um hochwertige neue Kunststoffe herzustellen. Dieser Prozess erfordert eine weniger strenge Sortierung und Reinheit der Eingangsmaterialien im Vergleich zum mechanischen Recycling und bietet eine größere Nachhaltigkeit als die thermische Verwertung.
In dieser Arbeit wird ein Reaktormodell für einen kontinuierlich betriebenen Pyrolyse-Rohrreaktor entwickelt. Das Modell umfasst einen physikalischen Teil, der die Wärmebilanz des Reaktors löst, wobei es sensible Wärme, Reaktionsenthalpie, Schmelzenthalpie und den inneren Wärmeübergangswiderstand berücksichtigt. Zusätzlich berechnet das physikalische Modell den Druckverlust des Reaktors, wobei Reibungsverluste und Verluste durch Ventile und Armaturen berücksichtigt werden. Zur Modellierung der chemischen Prozesse wurde ein „lumped kinetic“ Modellierungsverfahren angewendet, durch das ein neues sequentielles acht lump Kinetik Modell entwickelt wurde. Nach der Anpassung der kinetischen Parameter zeigte das Modell eine Vorhersagegenauigkeit von ± 5 Gew.-% je Lump, wobei eine Sensitivitätsanalyse bestätigt, dass die bestmöglichen kinetischen Parameter berechnet wurden. Für die Entwicklung des Modells und das Fitting der Kinetik Parameter wurden Daten angewendet, welche mit einem Laborreaktor mit einem Durchsatz von 2 kg/h Kunststoff erhalten wurden. Die Anwendbarkeit des Modells für die Skalierung des Prozesses wurde mit Daten einer Pilotanlage mit einem Durchsatz von 100 kg/h verifiziert.