DE1920994A1 - Bitumenblasverfahren und Einrichtung zur Durchfuehrung desselben - Google Patents

Bitumenblasverfahren und Einrichtung zur Durchfuehrung desselben

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Description

Patentanwiitt
Dip/.-Ing. A. Grünecker
Dr.-lng. H. Kinkeldey
Dr.-ing. W. Stockmair 1920994
8 München 22, Maximilianstr. 43 ' Αν^^ '
ÖSTERREICHISCHE MINERALÖLVERWALTIMG AKTIENGESELLSCHAFT
IN WIEN
Bitumenblasverfahren und Einrichtung zur Durchführung desselben
Die Erfindung bezieht sich auf ein Bitumenblasverfahren, bei welchem die Blaseluft in den unteren Teil des Blasereaktors eindispergiert und während ihres Aufsteigens im Blasereaktorinhalt redispergiert wird, sowie auf eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Bekanntlich dient das Bitumenblasverfahren zur Erzeugung von Erdölbitumen gewünschter Konsistenz, d.h. beliebiger Härte, aus Erdöldestillationsrückständen oder sogenanntem Weichbitumen. Das durch Wärmezufuhr auf etwa 250 C erhitzte und dadurch dünnflüssig gemachte Weichbitumen wird in einem senkrechten zylindrischen Behälter, dem Blasereaktor, in innigen Kontakt mit Frischluft gebracht, die im Bereich des unteren Endes des Blasereaktors in das Reaktionsgut eingeblasen und fein verteilt wird. Während des Aufsteigens der Luftbläschen im Blasereaktorinhalt dringt ein Teil des sich in Jedem Bläschen befindlichen Sauerstoffes in den umgebenden Weichbitumenfilm ein und bildet dort Säuerstoffanlagerungsprodukte in Form von Peroxyden und/oder Hydroperoxyden. Die Luftbläschen platzen nach Erreichen der Oberfläche des Reaktionsgutes, und ihr Gasgehalt, das ist die an Sauerstoff verarmte Abluft, strömt über den Blasereaktorkopf in die Abluftleitung. Die Sauerstoffanlagerungsprodukte, die sich durch den Kontakt des Weichbitumens mit den Luftbläschen gebildet haben, verteilen sich im Reaktionsgut und
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reagieren dort weiter" unter Bildung der. gewünschten konsistenteren Produkte. Dieser Vorgang wird so lange durchgeführt» feig der Blasereaktorinhalt den gewünschten Konsistenzerreicht hat.
Die Wirtschaftlichkeit des Blaseprozes-ses hängt im wesentlichen von zwei Faktoren ab, nämlich von der Zeit, die für die Erzeugung eines bestimmten Endproduktes aus einem bestimmten Anfangsprodμkt erforderlich ist, also von der Konsistenzzunähme pro Zeiteinheit, und vom Verbrauch an feinverteilter Frischluft, also von der Zahl der erforderlichen Kubikmeter Luft pro Tonne Bitumen und Konsistenzzunähme. Der erstgenannte Faktor bestimmt die Höhe der Anlageinvestitionen und den Arbeitszeitaufwand je Tonne Fertigprodukt, der zweite Faktor den Aufwand für die das Betriebsmittel, also die Blaseluft, betreffenden Investitionen sowie den, hiefür erforderlichen Energieverbrauch. Alle Bestrebungen, die Wirtschaftlichkeit des Blaseverfahrens zu verbessern, müssen also dahin gerichtet sein, die Blasezeiten möglichst zu verkürzen und die Blaseluft möglichst weitgehend auszunützen O
Wie schon vorstehend angedeutet, läuft der Blaseprozeß im wesentlichen in zwei Stufen ab. In der ersten Stufe diffundiert der in den Bläschen enthaltene Sauerstoff in das die Bläschen umgebende Weichbitumen, wird also an den im Weichbitumen enthaltenen Reaktionspartner herangebracht. In der zweiten Stufe erfolgt dann die chemische Reaktion des herangebrachten Sauerstoffes mit dem Reaktionspartner. Es gilt nun als erwiesen, daß die erste Stufe, also die Diffusion des Sauerstoffes, als langsamere Stufe des Bitumenblasverfahrens die prozeßdauerbestimmende ist. Sie wird durch das Fick'sche Gesetz
w β k.A.P.t
erfaßt, worin W die Menge des diffundierenden Gases, k die
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Diffusionsgescliwindigkeitskonstante, A die Diffusionsfläche, P den treibenden Sauer st off par ti al druck, t die Diffusionszeit und s die Dicke des Jeweils zu durchdringenden Films bedeuten. Soll W größer werden, dann müssen die Faktoren k,A,P,t erhöht oder s verkleinert werden.
Die Diffusionsgeschwindigkeitskonstante k hängt als Materialkonstante nur von der Zähigkeit, also von der Temperatur des Reaktionsgutes ab. Da diese aus Gründen des Reaktionsverlaufes nicht über einen gewissen Wert (etwa 25O0 gesteigert, werden kann, kommt eine Erhöhung der Diffusion durch Erhöhung der genannten Konstanten nicht in Betracht. Letztere wird im Gegenteil während des Prozesses immer kleiner, da ja Ziel des Blaseverfahrens eine bestimmte Konsist enz/erhöhung ist.
Eine Erhöhung der Diffusionsfläche A ist auf zwei Arten möglich, nämlich durch Erhöhung der Zahl der in den Blasereaktor eindispergierten und in dessen Inhalt aufsteigenden Iiuftbläschen und durch Verringerung der Luftbläschengröße. Was zunächst die Erhöhung der Zahl der Luftbläschen betrifft, so sind diesbezüglich verhältnismäßig enge Grenzen gesetzt, da bei kleinem gegenseitigen Abstand der Bläschen diese miteinander zu größeren Bläschen verschmelzen. Um die Bildung großer Blasen und die damit verbundene Verkleinerung der Diffusionsfläche zu verhindern, hat man in jenen Bereichen des Blasereaktors, in welchem mit Blasenverschmelzungen zu rechnen ist, Einrichtungen vorgesehen, die einem Koaleszieren der Bläschen entgegenwirken bzw. ein bereits erfolgtes Zusammenfließen durch Redispergieren sofort rückgängig machen. Die Zahl der Bläschen und damit das Ausmaß der Diffusionsfläche bleiben aber jedenfalls beschränkt. Was anderseits die Verringerung der Luftbläschengröße betrifft, so enthalten beispielsweise 1000 Luftbläschen mit einem Radius von 0,5 M die gleiche Luftmenge wie ein Bläschen mit
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einem Radius von 5 111111J wobei sie aber die zehnfache Ober-· fläche aufweisen. Die für die Erzeugung von Bläschen mit 1 mm Durchmesser erforderliche Leistung ist jedoch neunzigmal so groß als jene für Bläschen mit einem Durchmesser von 10 mm.
Es erweist sich aber auch eine Erhöhung der- Diffusion durch Erhöhung des Sauerstoffpartialdruckes P als problematisch. Ein Blasen unter erhöhtem Druck erhöht zwar den Sauerstoffpartialdruck in den Luftbläschen, jedoch im selben Ausmaß auch den Sauerstoffpartialdruck im Abluftsystem und damit die Gefahr von Nachreaktionen und Explosionen in der Abluft. Dasselbe gilt auch für Partialdruckerhöhungen durch Zusatz von Sauerstoff (Op) oder Ozon (O3,) bzw. von Chlor (CIp) oder Stickstoffdioxyd (NO2]I zur Blaseluft, wobei Chlor und Stickstoffdioxyd noch dazu betriebstechnisch unangenehme Nebenprodukte in der Abluft liefern. Dabei ist noch zu beachten, daß ein Luftbläschen ein völlig abgeschlossenes System darstellt, weshalb der Anfangspartialdruck im Bläschen sehr rasch abfällt, da der Sauerstoff einerseits vom Bitumen verbraucht, anderseits durch Rückdiffusion von Reaktionsprodukten, wie Wasser und Kohlendioxyd (CO2), verdünnt wird, wobei überdies die Bläschen bei ihrem Aufsteigen im Reaktionsgut einem stetig abnehmenden statischen Flüssigkeitsdruck ausgesetzt sind.
Was die Diffusionszeit t betrifft, so ist es bekannt, diese durch Vergrößerung der Reaktorhöhe zu verlängern*, was aber mit einem entsprechenden baulichen Mehraufwand verbunden ist.
Die Erfindung, der als Hauptaufgabe ebenfalls die Erhöhung der Wirtschaftlichkeit des Blaseprozesses zugrunde liegt, geht nun von Überlegungen aus, die sich auf den letzten in der Fick'sehen Formel aufscheinenden Parameter, also auf die jeweils zu durchdringende Filmdicke s, beziehen. Diese
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ist zwecks Erhöhung der Diffusion möglichst gering zu halten. Im Augenblick der Blasenbildung sind nun Frischluft und frisches Bitumen jedenfalls in unmittelbarem Kontakt. Wenn aber die reaktionsfreudigen Bestandteile der Grenzflächen verbraucht sind, muß der Sauerstoff immer tiefer in den Bitumenfilm eindringen, um auf einen Reaktionspartner zu stoßen. Es wächst also der der Diffusion entgegengesetzte Widerstand, wobei gleichzeitig der treibende Sauerstoffpartialdruck aus den bereits angeführten Gründen (Sauerstoffaufnahme durch das Bitumen, zusätzliche Verminderung des Sauerstoffgehalts durch Rückdiffusion von Reaktionsprodukten, Verminderung des statischen Flüssigkeitsdruckes beim Aufsteigen der Blasen) abnimmt. Dadurch kommt der Diffusionsvorgang sehr schnell zu einem praktischen Stillstand. In diesem Zusammenhang durchgeführte Versuche haben ergeben, daß die für die Wirtschaftlichkeit des Blaseprozesses und die Qualität des Fertigproduktes wohl in erster Linie maßgebende Sauerstoffdiffusion in das Bitumen schon dann aufhört, wenn die Luftbläschen erst einen Bruchteil ihres Weges vom Ort ihrer Entstehung, also von der Einrichtung, mittels welcher Frischluft in den unteren Teil des Blasereaktors eindispergiert wird, bis zur Oberfläche des Reaktionsgutes zurückgelegt haben und dabei erst etwa ein Drittel des in den Bläschen vorhandenen Sauerstoffes verbraucht ist.
Hier setzt nun die Erfindung ein, u.zw. ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß die aufsteigenden Luftblasen zwangsweise verschmolzen und die dadurch entstandenen Luftsäcke sodann wieder zu Blasen zerteilt werden, wodurch neue, wieder reaktionsbereite Phasengrenzflächen geschaffen werden. Während man also bisher die Verschmelzung einzelner Bläschen mit allen Mitteln zu verhindern trachtete, wird erfindungsgemäß gerade das Gegenteil erzwungen, nämlich eine weitgehende Vereinigung der Blasen zu großen Luftsäcken. Dadurch findet eine weitgehende !Trennung
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der in die Reaktion bereits einbezogen gewesenen und damit einer weiter--^i Sauerstoff diffusion hinderlichen flüssigen · Phasen^., enzschichten von den die Bläschen bildenden Gasen s^äbt, zumal die Oberfläche der durch zwangsweise Bläschenverschmelzung gebildeten Luftsäcke immer kleiner sein wird als die Summe der Oberflächen der Bläschen. Es erfolgt somit gleichsam ein gewaltsames Entkleiden der durch die Bläschen gebildeten gasförmigen Phase von den diese Bläschen umgebenden, bereits abreagierten Filmen, die im Reaktionsgut aufgehen. Werden sodann die zwangsweise gebildeten Luftsäcke wieder zu Blasen zerteilt, dann werden diese von noch nicht verbrauchten, also wieder reaktionsfreudigen flüssigen Grenzflächen umgeben, so daß die Diffusion des Sauerstoffes in das Bitumen erneut mit hoher Geschwindigkeit einsetzt. Wie auch aus den nachfolgenden Beispielen hervorgeht, wird solcherart eine wesentliche Beschleunigung des Bitumenblasprozesses bei erheblicher Einsparung des Betriebsmittels Blaseluft erzielt.
Das zwangsweise Verschmelzen und Wiederzerteilen der Blasen kann dabei mehrmals durchgeführt werden, u.zw. so oft, als es der in den Bläschen enthaltene Sauerstoff angezeigt erscheinen läßt.
Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist vor allem dadurch gekennzeichnet, daß im Blasereaktor eine oder mehrere, zum Verschmelzen der im Blasereaktorinhalt aufsteigenden Blasen dienende Einrichtungen vorgesehen sind, denen je eine Einrichtung zum Wiederzerteilen der gebildeten Luftsäcke nachgeschaltet ist. Die übereinander angeordneten Einrichtungen zum Verschmelzen der Blasen können dabei durch zu den Einrichtungen für das Wiederzerteilen der gebildeten Luftsäcke führende, vorzugsweise trichterförmige Prallplatten, Umlenkschikanen, Siebe od.dgl. gebildet sein. Vorteilhafterweise können die trichterförmigen Prallplatten
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von der Innenwandung des Blasereaktors ausgehen und den ihnen zugeordneten Einrichtungen zum Viederzerteilen der gebildeten Luftsäcke unmittelbar vorgeschaltet sein.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung naher erläutert, die ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Verfahrensdurchführung wiedergibt.
Mit 1 ist der säulenförmige Blasereaktor bezeichnet, von dessen oberem, erweiterten Teil 11 die Abluftleitung 2 abzweigt. Im Reaktorboden 3 ist eine Einbfingöffnung 4- vorgesehen, durch welche das zu behandelnde Gut, also die in Erdölbitumen gewünschter Härte umzuwandelnden weichen Erdöldestillationsrückstände, in den Reaktor eingepumpt werden können. Vom oberen Reaktorteil 1' zweigt auch ein Zirkulationsrohr 1" ab, das in den Reaktor nahe dem Boden 3 desselben rückmündet und mit einer Ablauföffnung versehen ist, durch welche das fertige Blasegut abgezogen werden kann. Mit 6 ist die Blaseluftzuleitung bezeichnet, die in einen oberhalb des Blasereaktors angeordneten Luftverteilring 7 mündet, Von diesem gehen vier, die Blaseluftleitung bildende Rohre aus, von denen in der Zeichnung, die einen Längsschnitt durch den Blasereaktor wiedergibt, nur drei sichtbar und mit 8 bezeichnet sind. Die parallel geschalteten Rohre 8 durchsetzen die obere Blasereaktorwand und führen durch den Reaktor zu dem im Bereich des Bodens 3 desselben angeordneten Gasverteiler 9»9'· Dieser besteht aus einem zylindrischen Teil 9 » gegen dessen Umfangsflache die Mündungen 8' der Rohre 8 gerichtet sind, und aus einer Dispergierturbine 9'· Der Antrieb der letzteren erfolgt durch einen Motor 10, wobei auf der Antriebswelle ein Kegelrad 12 sitzt, das mit einem auf der Turbinenwelle 13 befestigten Kegelrad 14- kämmt. Mit 15 ist das untere Lager der Turbinenwelle 13 bezeichnet. Der Blase-
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reaktor wird bis über die Abzweigung des Zirkulationsrohres 1" mit zu behandelndem Gut gefüllt.
Oberhalb des Gasverteilers 9»9' ist im Blasereaktor eine Einrichtung 16 zum Verschmelzen der im Reaktionsgut aufsteigenden Blasen vorgesehen. Diese Einrichtung ist durch eine trichterförmige Prallplatte gebildet,,die von der Innenwandung 17 des Reaktors ausgeht. Anstelle der trichterförmigen Prallplatte können auch.andere Behelfe vorgesehen sein, die ein Verschmelzen der Luftblasen zu großen Luftsäcken bewirken, beispielsweise Umlenkschikanen, Siehe od.dgl. Oberhalb der öffnung 18 der die Blasenverschmelzeinrichtung bildenden.Prallplatte ist eine Einrichtung 19 zum Wiederzerteilen der gebildeten Luftsäcke vorgesehen. Diese Einrichtung ist durch eine Redispergierturbine gleicher Art wie die Dispergierturbine 91 des Gasverteilers 9»9* gebildet. Die Wiederzerteileinrichtung 19 ist dabei der Blasenverschmelzeinrichtung 16 unmittelbar nachgeschaltet. Die Welle der Redispergierturhine ist durch eine Verlängerung 13· der Welle 13 der Dispergierturbine 91 gebildet. Über der Redispergierturbine 19 ist eine weitere Blasenverschmelzeinrichtung 16' vorgesehen, die, in gleicher Weise wie die Blasenverschmelzeinrichtung 16 , aus einer von der Innenwandung 17 des Reaktors ausgehenden trichterförmigen Prallplatte besteht, deren öffnung 18* zu einer unmittelbar nachgeschalteten, ebenso wie die Redispergierturbine 19 ausgebildeten, weiteren Redispergierturbine 19' führt. Letztere wird über eine weitere Verlängerung 13" der Welle 13 angetrieben. Mit 20 ist das obere Lager der Welle 13, 13',13" bezeichnet.
Während des Blaseprozesses wird in den Blasereaktorinhalt, also in das in Erdölbitumen gewünschter Härte umzuwandelnde Weichbitumen, über<die Blaseluftzuleitung 6, den Luftverteilting 7 und die Rohre 8 Frischluft eingeführt, die durch den angetriebenen Gasverteiler 9,9' in feine Bläs-
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chen verteilt wird, die im Reaktionsgut aufsteigen. Durch das Auftreffen auf die Prallplatte 16 . werden die Blasen zu verhältnismäßig großen Luftsäcken verschmolzen, die entlang der trichterförmigen Prallplatte schräg aufwärts gleiten und sich durch die Öffnung 18 der Prallplatte zur Wiederzerteileinrichtung 19 wälzen, durch die sie wieder in feine Bläschen zerteilt werden. Wie bereits dargelegt,'findet beim zwangsweisen Verschmelzen der Bläschen zu Luftsäcken eine weitgehende Trennung der flüssigen von der gasförmigen Phase statt. Die die Bläschen bildenden Gase kommen mit den sie bisher umgebenden Flüssigkeitsfilmen, die bereits in die Reaktion einbezogen wurden und daher einer weiteren Sauerstoffdiffusion Widerstand entgegensetzen, außer Kontakt, da diese Flüssigkeitsfilme von ihnen gleichsam abgeschält werden, um sich im Reaktionsgut zu verteilen und in diesem unterzugehen. Durch das Wiederzerteilen der Luftsäcke mittels der Redispergierturbine 19 werden neue Grenzflächen zwischen Luft und Bitumen geschaffen, an denen wieder eine ausgiebige Sauerstoff diffusion in die flüssige Phase ermöglicht ist, wodurch das Einsatzgut neuerlich mit voller Intensität behandelt wird. Bei ihrem weiteren Aufsteigen umgeben sich die neu gebildeten Bläschen wieder mit die weitere Sauerstoffdiffusion fortschreitend hemmenden Filmen, die wieder durch die obere Blasenverschmeizeinrichtung 16' von der gasförmigen Phase getrennt werden, worauf die dabei entstehenden Luftsäcke durch die obere Redispergierturbine 19' in Blasen zerteilt werden, wodurch abermals neue, wieder reaktionsbereite Phasengrenzflächen geschaffen werden. Das im Reaktor befindliche Reaktionsgut wird unter Ausnützung der sogenannten Mammutpumpenwirkung über das Zirkulationsrohr 1" ständig umgewälzt. Die sich über der Oberfläche des Gutes ansammelnde Abluft strömt über die Leitung 2 ab.
Im folgenden wird noch das Ergebnis von Vergleichs-, versuchen wiedergegeben, u.zw. bezieht sich das erste Versuchs
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paar auf kontinuierlichen, das zweite Versuchspaar auf diskontinuierlichen Blasebetrieb. .·:."..■
a) In einem nach dem letzten vorbekannten Stand der Λ' j Technik ausgerüsteten Blasereaktor, der einen Frischluftverteiler und eine Redispergierturbine aufweist, wurde Weichbitumen B 200 (Erweichungspunkt Ring und Kugel: 39°Cj Penetration bei 250G: 200 1/10 mm) auf ein Mit.telbitumen B 85 (Erweichungspunkt: 47°C, Penetration bei 25°C: 85 1/10 mm) bei 23O0C kontinuierlich verblasen.
. Je Tonne Nutzinhalt und Blasetag ergab sich dabei eine Reaktorleistung von 9·524 kg B 85 bei einem Luftver-
brauch von 86,4- Nmr Luft je Tonne konvertiertes Produkt.
b) In einem erfindungsgemäßen Blasereaktor, der, wie in der Zeichnung dargestellt, einen Frischluftverteiler und zwei Blasenverschmelz- sowie zwei Wiederzerteilungseinrichtungen aufweist, wurde das gleiche Einsatzprodukt wie gemäß Beispiel a) zum gleichen Endprodukt bei 23O0C kontinuierlich verblasen.
Dabei ergab sich je Tonne Nutzinhalt und Blasetag eine Reaktorleistung von 15.625 kg B 85 bei einem Luft-
verbrauch von 42,24 Nnr je Tonne konvertiertes Produkt.
c) In'einem bekannten Blasereaktor gemäß Beispiel a) wurde Weichbitumen B 200 gleicher Beschaffenheit wie gemäß Beispiel a) zu einem Hartbitumen B 10 (Erweichungspunkt Ring und Kugel: 850C, Penetration bei 25°C: 8 1/10 mm) bei 2300O diskontinuierlich verblasen»
Je Tonne Nutzinhalt und Blasestunde ergab sich dabei eine Reaktorleistung von 100 kg B 10 bei einem Luftverbrauch von 342,86 Nnr je Tonne konvertiertes Produkt.
d) In einem erfindungsgemäßen Blasereaktor gemäß Beispiel b) wurde der gleiche Prozeß ausgeführt wie in
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Beispiel c) beschrieben.
Dabei ergab sich je Tonne Nutzinhalt und Blasestunde eine Reaktorleistung von 250 kg B 10 bei einem Luftverbrauch von bloß 110,0 Nm Luft je Tonne konvertiertes Produkt·
Aus den wiedergegebenen Vergleichsversuchen geht hervor, daß das erfindungsgemäße Bitumenblasverfahren nicht nur eine wesentliche Prozeßbeschleunigung, sondern auch eine Einsparung von 50-67$ des Betriebsmittels Blaseluft ergibt.
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Claims (5)

  1. P ATE N. !DANSPRÜCHE :
    Bitumenblasverfahren, bei welchem die Blaseluft in den unteren Teil des Blasereaktors eindispergiert und während ihres Aufsteigens im Blasereaktorinhalt redispergiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die aufsteigenden Luftblasen zwangsweise verschmolzen und erst die dadurch entstandenen Luftsäcke sodann wieder zu Blasen zerteilt werden, wodurch neue, wieder reaktionsbereite Phasengrenzflächen geschaffen werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blasen mehrmals zwangsweise verschmolzen und wieder zerteilt werden.
  3. 3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens
    nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Blasereaktor (1) eine oder mehrere, zum Verschmelzen der im Blasereaktorinhalt aufsteigenden Blasen dienende Einrichtungen (16,16') vorgesehen sind, denen je eine Einrichtung (19»19') zum Wiederzerteilen der gebildeten Luftsäcke nachgeschaltet ist. ■
  4. 4. Einrichtung nach Anspruch 35 dadurch gekennzeichnet, daß die übereinander angeordneten Einrichtungen (16,16*) zum Verschmelzen der Blasen durch zu den Einrichtungen (19,19*) für das Wiederzerteilen der gebildeten Luftsäcke führende, vorzugsweise trichterförmige Prallplatten, Umlenkschikanen, Siebe od.dgl. gebildet sind. - " "
  5. 5. Einrichtung nach Anspruch 4., dadurch gekennz ei chnet, daß die trichterförmigen Prallplatten (16,16') von der Innenwandung (17) des Blasereaktors (1).
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    ausgehen und den ihnen zugeordneten Einrichtungen (19»19') zum Wiederzerteilen der gebildeten Luftsäcke unmittelbar vorgeschaltet sind.
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    /If
    L e e r s e i t e
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