CFD-DEM simulation for Advanced Chemical Recycling of Mixed Plastic Waste

Abstract

Global plastic waste production has more than doubled in the past two decades, with plastic packaging accounting for 40% in 2019. Due to low recycling rates, pollution and limited fossil resources, increasing circularity in the plastic industry has become increasingly important. Chemical recycling through pyrolysis, unlike mechanical recycling, can treat contaminated, mixed plastic waste and increase circularity by producing hydrocarbons appropriate for re-polymerization.

A coupled CFD-DEM model was employed to investigate heat transfer in a rotary kiln reactor, simulating pyrolysis of three plastics. Polyethylene (PE) and polypropylene (PP), two common plastics found in post-consumer waste, were studied combined with polyAl, the residual material from recycling of Tetra Pak's paper-based food packaging. The study focused on evaluating heating patterns of plastic mixes and assessing the potential of polyAl, due to its aluminium content, to act as a heat carrier.

PE was found to have the lowest volumetric heat capacity and highest thermal diffusivity, making this a better heat carrier material than polyAl. PolyAl required the most energy to heat, resulting in lower average particle temperatures at all times compared to PP and PE. Five cases with different particle mixes were run to observe how particle interactions affect particle heating patterns. PE and polyAl experienced decreased heating rates when mixed with other particle types. PP experienced very small changes in heating rates that may fall within numerical uncertainties of the simulations.

Additionally, CFD-DEM showed good potential for R&D work of chemical recycling. Further work to achieve an accurate multi-scale process model, resolving chemical reactions and internal particle heat transfer, was identified.

Popular Abstract (Swedish)

Simuleringar för avancerad återvinning av blandat plastavfall

Det globala plastavfallet ökar men återvinningsgraden följer inte med. Kemisk plaståtervinning är en lovande metod men står inför ingenjörsutmaningar kopplade till värmeöverföring och energiförbrukning. Denna studie använde beräkningsmodellen CFD-DEM för att undersöka uppvärmningen av blandat plastavfall i en kemisk återvinningsprocess.

Dagens mekaniska plaståtervinning är väldigt begränsad och det finns behov av ökad cirkularitet eftersom fossila råvaror är begränsade. Kemisk plaståtervinning är en avancerad metod som använder värme för att bryta ner plastmolekylerna till sitt råmaterial, vilket i sin tur kan användas för att producera ny plast. Fördelen med kemisk plaståtervinning är att metoden kan hantera smutsigt (till viss grad) och blandat plastavfall samt att den nybildade plasten har högre kvalitet. Många anser att kemisk plaståtervinning kan vara en lösning men det återstår utmaningar med tekniken.

En kemisk plaståtervinningsprocess som verkar särskilt lovande är pyrolys. 2Dock är pyrolys energiintensivt och processens energibehov är starkt kopplat till temperaturen som plasten behöver värmas upp till för att brytas ner på rätt sätt. Att förbättra och utveckla uppvärmningen av plastavfallet är en ingenjörsutmaning, där användningen av digitala modeller för att simulera processen är passande. Beräkningsmodellen CFD-DEM testades som simuleringsverktyg för en kemisk plaståtervinningsprocess. Modelltypen används för beräkningar av flöden (CFD) som innehåller solida partiklar (DEM). CFD-DEM användes för att studera hur blandningen av olika plastsorter påverkar uppvärmningen av plastavfallet. En modell för en roterugnspyrolysreaktor byggdes i mjukvaran Star-CCM+. Tre olika sorters plastmaterial användes. Två av plastsorterna var polyeten och polypropen, vilka båda utgör stora delar av vårt blandade plastavfall. Det tredje plastmaterialet var polyAl. PolyAl är det material, bestående av plast och aluminium, som används i Tetra Paks förpackningar. Tetra Paks förpackningar är mycket vanliga i hushåll över hela världen, inte bara i Sverige.

Plast är känt för att leda värme dåligt och en hypotes om att aluminiumet, som finns i polyAl materialet, skulle kunna hjälpa värmeledningen i plastavfallet i reaktorn prövades. Simuleringar med olika blandningar av de tre plastsorterna kördes för att se hur uppvärmningen av olika plastkombinationer påverkade varandra. Polyeten behövde minst mängd energi för att värmas upp och hade störst beräknad värmeledningsförmåga. PolyAl beräknades behöva störst mängd energi för att värmas upp. PolyAl hade bättre värmeledningsförmåga än polypropen men sämre än polyeten. Eftersom polyAl krävde mest energi för att värmas upp var dessa partiklar alltid kallare än de andra två sorterna och kunde därför inte agera värmeledare. Utöver det visade både polyeten och polyAl sänkt uppvärmningstakt när de blandades med andra plastsorter än när de värmdes upp enskilt. Polypropen uppvisade knappt någon förändring i uppvärmning när det blandades med de andra plastsorterna jämfört med enskild uppvärmning. Detta misstänkts vara på grund av DEM lösarens svårighet att lösa partikelinteraktionerna korrekt och därför blir värmeöverföringen felberäknad vid kontakt mellan partiklarna och kontakt vid med roterugnens uppvärmda väggar. Baserat på resultaten skulle inkluderingen av polyAl i den simulerade återvinningsprocessen öka energibehovet för pyrolysen och förlänga processtiden. Det skulle därför kunna vara av intresse att separera aluminiumet först.

Utöver detta identifierades svagheter i modellen och nödvändigt fortsatt arbete för att utveckla och validera pyrolysmodellen.

• author: Belcher, Ellen Che
• supervisor: Hesameddin Fatehi; Aurélia Vallier
• organization: Department of Energy Sciences
• course: MVKM01 20252
• year: 2026
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: CFD, DEM, Chemical Recycling, Mixed Plastic Waste, Pyrolysis, Multiphase Flow, Simulation, Star-CCM+, Polyethylene, Polypropylene, PolyAl, Heat Transfer, Plastic Recycling
• report number: ISRN LUTMDN/TMHP-26/5685-SE
• ISSN: 0282-1990
• language: English
• id: 9229310
• date added to LUP: 2026-06-08 11:40:36
• date last changed: 2026-06-08 11:40:36