Chemical recycling of PET by reactive distillation: model development

Polyethylene Terephthalate (PET) is one of the most used plastics in the world: it is a light, unbreakable and resealable polymer, far more versatile than aluminium and glass. Due to the wide production and large use of PET, and, at the same time, given the greater sensibility towards the pressure that man exerts on the planet, in recent years there has been increasing attention toward the recycling of this plastic. Over the years, in place of mechanical recycling, which is intuitive but not very flexible, more ways of chemical recycling have been proposed. In this thesis a new chemical recycling technology, called Roplastic, was studied. This technology is characterized by three steps and aims to achieve perfectly circular bottle-to-bottle recycling. In fact, starting from waste PET bottles, the first phase of the process sees a partial depolymerization of the PET that constitutes them, to form cyclic oligomers. This is referred to as distillation-assisted depolymerization (DA-CDP). The second step does not see any chemical reaction involved but consists of all the purification operations, aimed at eliminating contaminants. Finally, in the last phase, we assist a re-polymerization by ring-opening polymerization (ROP) with the final achievement of the bottle grade: 30 kg/mol. The goal of this work was to lay the first foundations for the scale-up of the plant. A mathematical model has been proposed, initially as generic as possible, to allow the description of all the phenomena that occur inside the reactors. Particular attention was then paid to the first section of the plant and, proceeding with a series of simplifications, it was possible to evaluate the kinetic and thermodynamic parameters of the model. The problem was subsequently evaluated from the mass transport point of view, identifying first attempt range of values useful for the detailed design of the equipment.

Il Polietilene Tereftalato (PET) è una delle plastiche più utilizzate nel mondo: esso è infatti un polimero leggero, infrangibile e richiudibile, di gran lunga più versatile rispetto alluminio e vetro. Proprio per la vasta produzione e il grande utilizzo del PET, e, al contempo, vista la maggiore sensibilità verso la pressione che l’uomo esercita sul pianeta, negli ultimi anni vi è stata un’attenzione crescente rivolta al riciclo di questa plastica. Al riciclo meccanico, intuitivo ma poco flessibile, sono state proposte nel corso degli anni più vie di riciclo chimico. Nel presente lavoro di tesi si è considerata una nuova tecnologia di riciclo chimico, battezzata con il nome Roplastic. Tale tecnologia è caratterizzata da tre step, e si pone come obiettivo il raggiungimento di un riciclo perfettamente circolare di tipo bottle-to-bottle. Infatti, proprio a partire da bottiglie di PET di scarto, la prima fase del processo vede una parziale depolimerizzazione del PET che le costituisce, per formare oligomeri ciclici. Si parla di depolimerizzazione assistita da distillazione (DA-CDP). Il secondo step non vede alcuna reazione chimica coinvolta, ma consta di tutte le operazioni di purificazione volte ad eliminare i contaminanti. Infine, nell’ultima fase assistiamo ad una ripolimerizzazione mediante ring opening polymerisation (ROP) con il raggiungimento finale del bottle grade: 30 kg/mol. L’obiettivo di questo lavoro è stato quello di gettare le prime basi allo scale-up dell’impianto. Si è proposto un modello matematico, in prima battuta più generico possibile, per permettere la descrizione di tutti i fenomeni che avvengono all’interno dei reattori. Ci si è poi particolarmente concentrati sulla prima sezione d’impianto e, procedendo con una serie di semplificazioni, si è giunti alla valutazione dei parametri cinetici e termodinamici del modello. Il problema è stato successivamente valutato dal punto di vista del trasporto di massa, individuando un intervallo di valori di primo tentativo utili al design dettagliato dell’apparecchiatura.