FI94423C

FI94423C - Menetelmä bitumin tai vastaavan hapettamiseksi

Info

Publication number: FI94423C
Application number: FI924253A
Authority: FI
Inventors: Hannu Nousiainen; Lauri Paukkonen; Jorma Siik; Pertti Orivuori; Harri Jaervelin; Bjarne Bremer; Keijo Kaukonen
Original assignee: Neste Oy
Priority date: 1992-09-23
Filing date: 1992-09-23
Publication date: 1995-09-11
Also published as: FI924253A; FI94423B; WO1994006887A1; AU4963793A; FI924253A0

Description

5 94423

Menetelmä bitumin tai vastaavan lopettamiseksi Förfarande för oxidering av bitumen eller motsvarande

Keksinnön kohteena on menetelmä bitumin tai vastaavan lopettamiseksi.

Bitumi on hiilivetytuote, joka saadaan esimerkiksi öljynjalostusprosessista tislauksen pohjatuotteena, jolla on korkea kiehumispiste ja viskositeetti ja joka liukenee trikloo-10 rieteeniin. Luonnon asfalteista uuttamalla erotettu liukeneva sideaine on myös bitumia (1). Bitumin ominaisuuksien parantamiseksi sitä voidaan hapettaa soveliaaksi aiottuihin käyttökohteisiin. Tämä hapettaminen voidaan tehdä johtamalla ilmaa bitumiin, joka hapettuu öljyfaasiin ilmasta diffundoituneen hapen vaikutuksesta.

15 Nykyisessä hapetettujen (puhallettujen/puolipuhallettujen) bitumilaatujen valmistus menetelmässä bitumiöljy ja lopettamiseen tarvittava ilma saatetaan kontaktiin suuritila-vuuksisessa reaktorissa (ns. kuplakolonnitekniikka). Menetelmän heikkouksina ovat suuresta öljy- ja kaasutilavuudesta johtuvat turvallisuusriskit, jännöskaasun korkea happipitoisuus, reaktion huono säädettävyys sekä pitkästä viipymäajasta johtuva 20 tuotteen laatuominaisuuksien heikkeneminen.

Patenttijulkaisussa WO 87/03896 bitumin ja hapen kontaktia on parannettu bitumin hapetuksessa käyttämällä turbiinisekoitinta. Tämä turbiinisekoitin käsittää sekoitti-men, joka on varustettu siipirattaalla, joka muodostuu hampaistetusta tasolevystä.

25 Tällaisen sekoittimen käyttö ei kuitenkaan olennaisesti paranna aineen siirtoa.

Tekniikan tasona viitataan myös hakijan kuulutusjulkaisuun FI-78495, joka kohdistuu menetelmään bitumin hapettamiseksi ilmalla suuritilavuuksisessa reaktorissa.

30 Tämän keksinnön tavoitteena on lyhentää hapetusreaktion viipymäaikaa ja täten vähentää laatuominaisuuksien heikkenemistä, kylmäominaisuudet jopa paranevat. Tavoitteena on m.m. saada aikaan bitumituote, joka soveltuu käytettäväksi tielevitteenä 2 94423 nimenomaan kylmissä olosuhteissa, kuten pohjoismaissa, mikä tarkoittaa esimerkiksi sitä, että levitteeseen ei saa syntyä murtumia.

Keksinnön mukainen menetelmä on pääasiassa tunnettu siitä, että hapettaminen 5 tapahtuu johtamalla bitumin tai vastaavan syöttövirta sekä ilmavirta tai muu kaasumainen hapetin kuumennettuina ja paineistettuina reaktoriin, joka on homogenisaattorityyp-pinen ns. pyörivä laite ja jossa reaktorissa sen roottori-staattori-elimet saavat aikaan niin voimakkaan turbulenssin, että syötetyt aineet oleellisesti kokonaan dispergoituvat kaasu-neste-dispersioksi.

10

Keksinnön edullisilla suoritusmuodoilla on alivaatimusten mukaiset tunnusmerkit.

Ilman ja bitumin välinen kontakti tapahtuu keksinnössä käyttämällä suurta turbulenssia. Keksinnössä käytetty reaktorilaite aikaansaa turbulenssin leikkausvoimia 15 aikaansaavien roottori-staattorityyppisten sekoituselinten käytöllä: bitumi ja ilma joutuvat kulkeutumaan reaktorin läpi siten, että niihin kohdistuu suuri leikkausvoima ja : paljon sekoitusta, mikä aikaansaa ilman hyvän dispergoitumisen, joka on kontaktin aikaansaamiseksi hyvin edullista. Keksinnön mukaisessa valmistusmenetelmässä ilma-bitumiseoksen kontaktin parantamiseen käytetty reaktorina oleva pyörivä laite on ns.

20 tehohomogenisaattori, joka tehohomogenisaattori on siis sen tyyppinen sekoituslaite, jossa sekoituksen aikaansaa yksi tai useampi roottori-staattoripari, yksin tai Saijassa.

Bench-scale-mittakaavassa tehdyillä kokeilla on osoitettu, että keksinnön mukaisella menetelmällä voidaan tarvittavaa viipymäaikaa lyhentää murto-osaan nykyisestä.

25 Lyhyempi viipymäaika ja parempi kontakti merkitsevät oleellisesti pienempää öljy- ja kaasuinventaaria ja niiden myötä turvallisuusriskien pienenemistä sekä ilman käytön vähenemistä.

Keksinnössä saadaan bitumi ja happi reagoimaan huomattavasti nopeammin kuin 30 nykyisellä kuplakolonnitekniikalla, jossa ei sekoitusta käytetä, ja myös nopeammin kuin 3 94423 tavanomaisten sekoituslaitteiden avulla. Oleellista on reaktioiden kokonaisnopeus. Reaktioiden nopeus johtuu karkeasti ilmaistuna kahdesta asiasta: - hapen aineensiirron nopeudesta ilmasta bitumiin 5 - hapen ja bitumin välisten reaktioiden nopeudesta.

Aineensiirtonopeutta voidaan edelleen parantaa vaikuttamalla seuraaviin asioihin: - olosuhteet reaktorissa 10 - reaktorin rakenne - reaktoreiden lukumäärä (erilaiset reaktorikytkennät).

Hapetusreaktorissa ilman happi ja bitumi reagoivat siten, että happimolekyyli lohkaisee pitkäketjuisesta molekyylistä osan pois muodostaen lyhytketjuisia hydroperoksideja ja 15 toisaalta pitkäketjuisia yhdisteitä, joissa on happi mukana. Nämä happea sisältävät pitkäketjuiset molekyylit pyrkivät yhdistymään, muodostaen vielä pidempiketjuisia molekyylejä. Tämä on toivottu reaktio, koska tällöin bitumia voidaan prosessoida halutulla tavalla riippuen siitä, kuinka raskasta bitumia halutaan tuottaa. Lähempiä tietoja varten on edellä olevassa tekstissä viitattu seuraavaan kirjallisuuteen: 20 1. Blomberg, T., Bitumit, 1990, Gummerus kirjapaino Oy, Jyväskylä, 2. Calderbank, P. H., Moo-Young, M., Chem. Eng. Sei., 16, 49, 1961, ” 3. Uhl. V., Grey, J., (Ed.), Calderbank, P., H., Mixing, Voi. 2, Chap. 6, Academic

Press, New York, 1967.

25 Reaktorin rakenne

Reaktori koostuu painerungosta, sisään- ja ulosvirtausyhteistä, rungon perässä sijaitsevista muotoilluista roottori-staattorikehäpareista ja akselista. Sekä roottori että staattori on muotoiltu hampaistuksella, rei’ityksella tai muulla vastaavalla roottorin ja 30 staattorin rakenteella siten, että turbulenssi lisääntyy reaktorissa oleellisesti roottorin pyöriessä. Akselin tulee olla laakeroitu ja tiivistetty, ja reaktori tarvitsee voimansiirto- 94423 4 ja voimalaitteet. Reaktorin tilavuus on niin pieni, että reaktorin sisälle mahtuu kerrallaan minuutin murto-osassa syötettävä lähtöaineiden määrä. Reaktorin periaatteellinen rakenne on esitetty kuvissa IA ja IB.

5 Ainesiirtonopeuteen voidaan vaikuttaa reaktorin rakenteella ja liikkuvien elimien käyntinopeudella eli roottori-staattoriparin mittojen ja lukumäärän valinnalla ja sisäosien välisellä nopeuserolla.

Olosuhteet reaktorissa 10 Lämpötilan nosto reaktorissa kasvattaa diffuusiokerrointa ja siten myös aineensiirtoker-rointa. Sopiva lämpötila keksinnössä on 180-240°C, mutta voidaan myös toimia alueella 150-300°C.

IS Ilman määrän lisääminen nopeuttaa bitumin hapettumista, koska tällöin tiettyä bitumimäärää kohti on reaktorissa enemmän happea, jolloin hapen bitumiin diffuntoitu-nut määrä on suurempi. Keksinnössä sopiva neste/ilma-syöttö tilavuussuhde on 2/1 - 1/50, reaktorin ollessa paineistettuna.

20 Paineen korottaminen lisää ilman määrää reaktorissa, koska ilma on kokoonpuristuva kaasu. Tällöin reaktioiden kokonaisaika pienenee ja voidaan käsitellä suurempia määriä bitumia samalla laitteella. Bitumin tilavuus ei paineen vaikutuksesta oleellisesti muutu. Keksinnössä käytettävän tehohomogenisaattorin sisäinen ylipaine on mahdollisimman korkea, esim. > 6 bar, edullisesti > 20 bar. Rajan ylipaineelle asettaa laitteen 25 mekaaninen kestävyys. Keksinnön mukainen pieni laite on tehnyt mahdolliseksi ja turvallisemmaksi korkeiden ylipaineiden käytön.

Laitteiston sisäisellä kierrätyksellä, jossa palautus tapahtuu reaktorin ulostulopuolelta sisäänmenopuolelle takaisin, voidaan vaikuttaa tuotteen viipymäaikajakaumaan ja sitä 30 kautta tuoteominaisuuksiin. Kierrätyksellä voidaan haluttaessa lisätä tuotteen kovenemista.

11 IB.t Mil H I M i 5 94423

Lisäämällä turbulenssia reaktorissa myös aineensiirto kasvaa. Keksinnössä sopiva roottorin kehänopeus on alueella n. 1-100 m/s.

Reaktori voidaan kytkeä joko niin, että syöttö tulee reaktorin ulkokehälle tai niin, että 5 syöttö tulee reaktorin kehän (kehien) keskelle. Syöttämällä bitumi ja ilma reaktorin kehälle voidaan lisätä reaktorissa vallitsevaa turbulenssia. Jos ilma ja bitumi syötetään reaktorin kehän (kehien) keskelle, on tarvittava pumppaus- ja komprimointienergian tarve vähäisempi. Myös laitekustannukset ovat tällöin alhaisemmat.

10 Reaktoreiden lukumäärä

Bitumin halutun hapetusasteen saavuttamiseksi reaktoreita voi olla yksi tai useampi liitettynä Saijaan ja/tai rinnan. On myös mahdollista kytkeä ulkokehälle ja kehän tai kehien keskelle tulevilla syötöillä varustettuja reaktoreita eri tavalla keskenään. Täten IS saijakytkentäsuoritusmuodossa reaktorin läpi virrannut bitumi ja paineistettu reaktorin jäännöskaasu ja/tai tuore ilma tai vastaava kaasu syötetään edelleen seuraavaan : reaktoriin. Paras suoritusmuoto on kuitenkin nk. kerralla-läpi-ajo, jossa bitumi ja ilma virtaavat vain kerran reaktorin läpi.

20 Eräässä toisessa suoritusmuodossa sekä bitumi että ilma (jäännösilma tai tuoreilma) paineistetaan (pumpataan/komprimoidaan) ja edelleen syötetään seuraavaan reaktoriin.

* Eli kyseessä on kahden tai useamman reaktorin kytkeminen Saijaan.

Keksinnön edut tuotantomittakaavassa 25

Keksinnön etuja tuotantomittakaavassa on arvioitu seuraavassa.

' ·« 6 94423

Turvallisuus mahdollisissa vuototilanteissa bitumivolyymi on merkittävästi pienempi, koska bitumin pumppaus homogenisaattoriin voidaan keskeyttää heti ja homogenisaat-5 torin bitumisisältö on merkittävästi pienempi kuin tavallisen puhallusreaktorin.

Tästä syystä myös kaasuvolyymi on merkittävästi pienempi, mikä tarkoittaa pienempää räjähdys- ja paloriskiä lisäksi tämän ansiosta varopuhallettavaa on vähemmän; yksinkertaisempi ja toimintavarmempi varopuhallusjäijestelmä 10 - koska reaktiot tapahtuvat tehokkaammin, happipitoisuus on merkittävästi alempi hapetusilmapoistokaasuissa, mikä parantaa paloturvallisuutta.

Laatukustannukset 15 - täysimittakaavaisen tuotannon käynnistys n. xh - 1 vrk nykyistä nopeampi; (12 - 24 h x kapasiteetti) tuotetaan vähemmän runsasrikkistä raskasta polttoöljyä tms.

häiriötilanteissa pienempi laatuvaatimusten ulkopuolella olevien tuotteiden määrä 20 - tuotteen kokonaislaatu nykyistä parempi; prosessin säätö nopeutuu; ohjaus paranee, tuote "kerralla oikein".

• · i

Taloudellisuus 25 - laiteinvestointi keksinnön mukaiseen reaktoriin on kuplakolonnia huomattavasti halvempi.

Ympäristövaikutukset 30 - tehokkaamman ilmankäytön ansiosta vähemmän käsiteltäviä poistokaasuja 7 94423 tuotteen vähäisemmän haihtuvuuden ansiosta kuumat bitumimassat aiheuttavat vähemmän työhygienisiä ongelmia.

Seuraavassa keksintöä kuvataan koe-esimerkin avulla, jota ei ole tarkoitettu rajoittamaan 5 keksintöä.

SUORITUSESIMERKKI 10 1. Koejärjestely

Keksinnön toimivuuden varmentamiseksi rakennetun koelaitteiston pääkomponentit ovat: 1. Syöttösäiliö 15 2. Syöttö- ja kierrätyspumput 3. Tehohomogenisaattori (in-line) 4. Kaasunpoistosäiliö 5. Tuotesäiliö 6. Materiaalin syöttöputkisto 20 7. Hapetusilman (paineilma) syöttöputkisto.

Laitteiston virtauskaavio on esitetty kuviossa 5.

2. Kokeiden suoritus 25

Laitteiston nestevirtauksen kapasiteetti on 10 - 80 1/h. Muita laitteiston ns. hapetuska- > · · pasiteettiin ja tuoteominaisuuksiin vaikuttavia ohjausparametreja ja niiden vaikutussuun-taa- ja voimakkuutta on tutkittu m.m. seuraavilla alueilla:

30 1. lämpötila n. 180 - 240°C

2. Neste/ilma-syöttösuhde 1/10 - 1/40 94423 g 3. Homogenisaattorin sisäinen paine 0 - 6 bar (abs.) 4. Laitteiston sisäinen kierrätys 0 - 60 1/h 5. Homogenisaattorin roottorin kehänopeus 0-100 m/s.

5 Koemateriaalina on käytetty tislattua ECO-300 tiebitumiraaka-ainetta.

Koeajot on pääosin tehty ns. kerralla läpi-periaatteella, joka tarkoittaa sitä, että hapetettava bitumiöljy on syötetty vain kerran homogenisaattorin läpi ja analysoitavat tuotenäytteet on otettu prosessista heti homogenisaattorin purkausaukon jälkeen sekä 10 kaasunpoistosäiliön jälkeen.

Koetulokset

Bitumin viskositeetin ja jäykkyyden mittana on käytetty tunkeuma-arvoa, joka määrite-15 tään esimerkiksi saksalaisen standardin DIN 520IJ mukaan.

• Hapetuskapasiteetin mittarina on käytetty tuotteen tunkeuma-arvon ja syöttömateriaalin tunkeuma-arvon välistä muutosta, ns. delta-tunkeumaa.

20 Koelaitteistolla on saavutettu n. 5000-kertainen hapetusnopeus bitumimassayksikköä ' kohti tavanomaiseen kuplakolonnimenetelmään verrattuna. Samansuuruinen tunkeuman * muutos, jonka saavuttamiseen tavanomaisella menetelmällä kuluu aikaa n. 2 tuntia, vie aikaa keksinnön mukaisella menetelmällä vain n. 1-3 sekuntia. Tätä vertailua on havainnollistettu kuvassa 2.

25

Merkittävät hapetuskapasiteettiin vaikuttavat tekijät ovat olleet homogenisaattorin sisäinen paineja materiaalien virtaussuunnat homogenisaattorissa. Sisäinen paine nostaa hapen osapainetta ja parantaa kaasun diffuusiota bitumiin (kuva 3).

30 Sisäinen hapetuskapasiteetti, ts. tunkeuman muutos "kerralla läpi" -ajossa on saavutettu ylipaineen avulla sekä kääntämällä materiaalien virtaussuunnat päinvastaiseksi 9 94423 tavanomaiseen virtaussuuntaan nähden. Kts. kuva IA, jossa virtaussuunta on normaali ja kuva IB, jossa se on käännetty.

Em. parametrien vaikutusta on havainnollistettu ao. kuvassa nro 3.

5

Koelaitteiston nestevirtauksen ja homogenisaattorin sisäisen tilavuuden avulla on laskennallisesti havainnollistettu viipymäajan vaikutusta hapetuskapasiteettiin. Tuloksista voidaan todeta, että nestevirtauksen kasvaessa siihen määrään, että laskennallinen viipymäaika alittaa n. yhden sekunnin, alkaa koelaitteen hapetuskapasiteetti laskea.

10 Graafinen esitys aiheesta kuvassa nro 4.

Claims

94423

1. Menetelmä bitumin tai vastaavan hapettamiseksi, tunnettu siitä, että hapettaminen tapahtuu johtamalla bitumin tai vastaavan syöttövirta sekä ilmavirta tai muu 5 kaasumainen hapetin kuumennettuina ja paineistettuina reaktoriin, joka on homogenisaat-torityyppinen ns. pyörivä laite ja jossa reaktorissa sen roottori-staattori-elimet saavat aikaan niin voimakkaan turbulenssin, että syötetyt aineet oleellisesti kokonaan dispergoi-tuvat kaasu-neste-dispersioksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hapetin- bitumi-reaktorin läpäisyaika on alle 10 s.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että bitumia tai vastaavaa hapetetaan ilmalla tai vastaavalla tilavuussuhteessa 2/1 - 1/50 reaktorin 15 ollessa paineistettuna.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ylipaine reaktorissa on mahdollisimman korkea, edullisesti yli 6 bar, edullisimmin 20 bar tai enemmän. 20

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lämpötila reaktorissa on 150-300°C, edullisesti 180-240°C.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 25 hapettaminen suoritetaan reaktorissa, jonka reaktiotilavuus on vähemmän kuin 1/100 syötettyyn nestemäärään verrattuna tunnissa.

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hapettaminen suoritetaan reaktorissa, jossa roottorin kehänopeus on 1-100 m/s, edulli- 30 sesti 10-100 m/s. 54423

8. Jonkin patenttivaatimuksen 1-7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että syöttö tapahtuu reaktoriin reaktorin ulkokehälle.

9. Jonkin patenttivaatimuksen 1-7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 5 syöttö tapahtuu reaktoriin reaktorin keskelle. • · 94423