JPH07228783A - 高濃度アスファルト水乳化物の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 加熱により粘度を低下させた溶融アスファル
トと、界面活性剤を含む添加剤の水溶液（乳化液）を、
スリットを有する多段リング状固定子と、該多段リング
状固定子に組み合う同じくスリットを有する多段リング
状回転子とを同軸上に備えた乳化機に供給し、乳化機内
の流体の平均温度をアスファルトの粘度が２００００ｃ
ｐ以下になる温度以上とし、かつ、乳化機の内部を加圧
し、沸騰を防止し得る圧力以上に保った状態で乳化さ
せ、その操作により得られたアスファルト水乳化物を、
急速に貯蔵温度まで冷却する。 【効果】 平均粒径が小さく安定性に優れたアスファル
ト微粒子を高濃度に含有したアスファルト水乳化物を、
大量に製造できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

【０００２】本発明はアスファルト水乳化物の製造方法
に関する。

【０００３】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】

【０００４】オイルサンド油、天然ビチューメン、およ
び石油アスファルトなどの重質油は、軟化点が常温以上
で、常温では粘度が数万ｃｐ以上の固体ないしは半固体
なため、常温の輸送、取り扱いが困難のため、用途が制
限されている。

【０００５】資源的には、これら重質油は、カナダ、メ
キシコ、ベネズエラ、中国、ロシアなどに広く分布して
おり、石油以上の埋蔵量を有している。

【０００６】また、石油自体も今後重質油化する傾向に
あり、さらに、原油精製工程から発生するアスファルト
も増加しているので、これらアスファルトの需要拡大が
求められている。

【０００７】常温で取り扱いが困難なオイルサンド油、
天然ビチューメン、および石油アスファルトなどの重質
油は、乳化によって水中油滴型（Ｏ／Ｗ）の乳化物とす
ることにより、粘度が下がるので、常温でも取り扱いが
容易になる。

【０００８】例えば、アスファルトを水中に乳化分散さ
せた道路用のアスファルト乳剤は、既に商品化されてい
る。

【０００９】また、重質油を水乳化物にすることで、粘
度低下以外にも、燃料用として利用する場合に、燃焼排
出ガス中のＮＯｘ、ばいじんの低下に有効なことが知ら
れている。

【００１０】従来より、道路用のアスファルト乳化剤
は、重質油と、水と界面活性剤を主体とする乳化液とを
混合し、ハレル型ホモジナイザーやコロイドミル等の乳
化機を用いて製造されている。

【００１１】ハレル型ホモジナイザーやコロイドミル
は、ケーシング中に固定子と回転子とを供えたもので、
回転子を回転させて、固定子と回転子との間の微細な隙
間へ原料を流すことで、原料に強いせん断力とズリ応力
を与え、界面で原料を激しく引き裂くものである。

【００１２】コロイドミルやハレル型ホモジナイザーの
場合、平均粒子径１０μｍ以下の安定性に優れた微粒子
を得るためには、固定子と回転子の空隙部の間隙を１０
０μｍより小さくすると同時に接触面積を大きくする必
要があるが、同時に処理量が低下してしまうので、装置
の処理能力を考慮すると、１０トン／時間程度以上、製
造することは困難である。

【００１３】しかし、アスファルトを水乳化物として燃
料用途に供するには、アスファルトを高濃度で含有する
アスファルト水乳化物を安価で大量に製造する事が要求
され、この要求に答えられる経済的なアスファルト水乳
化物の製造方法は今まで開発されていなかった。

【００１４】燃料用、道路用いずれの用途においても、
アスファルトの含有量は大きいことが望ましい。勿論、
燃料用の場合特に水は燃焼を阻害し、かつ熱量を低下す
るので、少ないことが望ましい。アスファルト含有量が
増加すると油粒子の合体が起き易く、貯蔵安定性、輸送
安定性に問題が生じる。

【００１５】道路用アスファルト乳剤の場合には、アス
ファルト含有量が６５％以上のものが商品化されること
はなかった。

【００１６】一般に、液体燃料の噴霧燃焼における燃焼
速度は、油滴粒径に反比例することがわかっている。

【００１７】バーナーで噴霧状にされた燃料中の油滴の
燃焼は、その中に含まれる成分の蒸発や熱分解によっ
て、油滴から可燃性気体が生成され、この気体が空気中
の酸素と結合して拡散燃焼を起こしている。

【００１８】アスファルト水乳化物を燃料として使用す
る際には、乳剤製造段階において油滴粒径を出来る限り
小さくしておくことが重要であり、液体燃料として完全
燃焼させるための油滴粒径としては、１０μｍ以下のい
わゆるエロゾル微粒子が最適であるといわれている。

【００１９】また、一般に油滴粒子を小さくすると貯蔵
安定性、水安定性に優れたものが出来るといわれてい
る。

【００２０】従って、平均粒径が小さく安定性に優れた
アスファルト微粒子を高濃度に含有したアスファルト水
乳化物を、大量に製造できる方法の開発が望まれてい
た。

【００２１】

【課題を解決するための手段】

【００２２】本発明者らは、上記の課題を解決するため
に、アスファルトの供給温度、乳化液の供給温度、乳化
温度、乳化機の圧力、乳化機の構造、乳化機の種類、ア
スファルト水乳化物の冷却速度、温度等の要素につい
て、種々検討を重ねた結果、本発明を完成するに至っ
た。

【００２３】すなわち、本発明の課題を解決するための
手段は、下記のとおりである。

【００２４】第１に、加熱により粘度を低下させた溶融
アスファルトと、界面活性剤を含む添加剤の水溶液（乳
化液）を、スリットを有する多段リング状固定子と、該
多段リング状固定子に組み合う同じくスリットを有する
多段リング状回転子とを同軸上に備えた乳化機に供給
し、乳化機内の流体の平均温度をアスファルトの粘度が
２００００ｃｐ以下になる温度以上とし、かつ、乳化機
の内部を加圧し、沸騰を防止し得る圧力以上に保った状
態で乳化させ、その操作により得られたアスファルト水
乳化物を、急速に貯蔵温度まで冷却する事を特徴とす
る、高濃度アスファルト水乳化物の製造方法。

【００２５】第２に、乳化機の操作により得られたアス
ファルト水乳化物のアスファルト含有量が、６５重量％
以上である、上記第１に記載の高濃度アスファルト水乳
化物の製造方法。

【００２６】ここで、アスファルトとは、石油アスファ
ルトだけでなく、常温で取り扱いが困難なオイルサンド
油、天然ビチューメン、コールタールピッチ、改質アス
ファルトなどの重質油も含まれる。

【００２７】スリットとは、溶融アスファルトと乳化液
の混合物(以下、混合液という)が通る空間（チェンバ
ー）を形成するものであればよいので、具体的形状がス
リット状である以外にも、細孔等のようにスリットの役
割を果たすものも含まれる。

【００２８】また、アスファルトの粘度を２００００ｃ
ｐ以下とするには、温度を８５℃以上に設定することが
好ましい。

【００２９】乳化機としては、スリットまたは細孔によ
る空間（チャンバー）を有する多段リング状固定子と、
同じくチャンバーを有し、多段リング状固定子に組み合
う多段リング状回転子とを同軸上に備え、多段リング状
回転子が高速回転することで、混合液を軸心部からチャ
ンバーを経て遠心方向に流すことにより、多段リング状
回転子と多段リング状固定子との間に発生する高せん断
力と、高周波レベルの圧力変動（キャビテーション）
と、多段リング状回転子と多段リング状固定子との間の
微細な隙間へ混合液を流すことにより生ずる強いズリ応
力とを利用して乳化分散を行うものを利用する。

【００３０】なお、上記の多段リング状固定子を備えた
乳化機は、従来のハレル型乳化機・コロイドミルでは平
均粒径１０μｍ以下の粒子を得るために回転子と固定子
の隙間を１００μｍ以下にせねばならないのに対し、２
５０μｍ程度で済むので、製作上の問題が少なく大型化
が可能である。

【００３１】

【実施例１】

【００３２】以下、本発明の一実施例について、図面を
参照しながら説明する。

【００３３】図１は、本発明に係るアスファルト水乳化
物の製造工程の概略図、図２は、本発明に係る乳化機の
縦断概略図、図３は、図２のＹ−Ｙ線断面図、図４は、
本発明に係る乳化機の要部の拡大図である。

【００３４】図１に示すように、アスファルト水乳化物
の製造装置は、溶融加熱されたアスファルトと加熱され
た乳化液とを混合し混合液とをする混合手段１と、混合
手段１による混合液を乳化しアスファルト水乳化物とす
る乳化機３と、乳化機３の内圧を調節する内圧調節手段
５と、乳化機３によって乳化されたアスファルト水乳化
物を冷却する冷却手段７とを備えたものである。

【００３５】混合手段１は、アスファルト供給系統と乳
化液供給系統とを別々に設けたもので、アスファルト供
給系統の溶融されたアスファルトと乳化液供給系統の加
熱された乳化液とは、乳化機３に供給される直前で接触
混合される。

【００３６】アスファルト供給系統は、加熱用ジャケッ
ト１１付きアスファルトタンク１２と、アスファルトポ
ンプ１３と、アスファルト流量計１４と、逆止弁１５
と、縮流装置１６とを、順次接続したものである。

【００３７】加熱用ジャケットタンク１１は、加熱用循
環ポンプ１７とヒータ１８を介して閉回路を構成し、加
熱油を循環させるものである。

【００３８】また、乳化液供給系統は、投込みヒータ１
９付きの乳化液タンク２０と、乳化液ポンプ２１と、乳
化液流量計２２と、逆止弁２３と、縮流装置２４とを、
順次接続したものである。

【００３９】混合手段１で採用するポンプは、容積式ポ
ンプであり、通常、ロータリーポンプ、ベーンポンプ、
ギアポンプなどを使用する。

【００４０】アスファルト供給系統の逆止弁１５及び乳
化液供給系統の逆止弁２３は、アスファルト供給系統と
乳化液供給系統との相互干渉と、各系統における原料の
逆流を防止する。

【００４１】アスファルト供給系統の縮流装置１６及び
乳化液供給系統の縮流装置２４は、各系統における各原
料の流路を絞り、配管内における各原料の流通速度を大
きくすることで、アスファルトと乳化液とを、乳化機３
に供給する直前で急速に混合する。

【００４２】上記の混合手段１では、アスファルトタン
ク１２の温度によって、加熱用ジャケット１１、加熱用
循環ポンプ１７、ヒータ１８のスイッチのオン・オフを
行うことで、溶融されたアスファルトの温度を調節す
る。

【００４３】また、乳化液タンク２０内の乳化液の温度
によって、投込みヒータ１９をオン・オフすることで、
乳化液の温度を調節する。

【００４４】そして、アスファルトと乳化液との比率及
び供給速度は、アスファルト水乳化物の製造量と比率を
設定した後、アスファルト流量計１４と乳化液流量計２
２からの信号を受けて、各々のポンプの回転数を調節す
ることで行う。

【００４５】乳化機３は、詳細には、図２〜図４に示す
ように、スリット３１による空間（チャンバー）を有す
る櫛歯状の多段リング状固定子３３と、同じくチャンバ
ーを有し、多段リング状固定子３３に組み合う多段リン
グ状回転子３４とを同軸上に備え、多段リング状回転子
３４が高速回転することで、混合液を軸心部３５からチ
ャンバーを経て遠心方向に流すことにより、多段リング
状回転子３４と多段リング状固定子３３との間に発生す
る高せん断力と、高周波レベルの圧力変動と、多段リン
グ状回転子３４と多段リング状固定子３３との間の微細
な隙間へ混合液を流すことにより生ずる強いズリ応力と
を利用して乳化分散を行うものである。

【００４６】多段リング状固定子３３と多段リング状回
転子３４は、円筒状函体３６に納められている。

【００４７】円筒状函体３６には、軸心部３５に、混合
手段１から供給される混合液の注入口３７が形成され、
上部に、乳化処理後のアスファルト水乳化物の取出口３
８が形成されている。

【００４８】軸心部３５は、図示は省略するが、駆動部
によって回転するものである。

【００４９】図４に示すように、多段リング状固定子３
３は、各歯３３ａを所定間隙Ｇ、ｇで径の異なる環状に
配列したものであり、多段リング状回転子３４は、円板
体の一側面に平面円弧状の歯３４ａを径の異なる環状に
形成したものであり、歯３４ａは多段リング状固定子３
３の半径方向の間隙Ｇ間に位置している。

【００５０】ここで、多段リング状固定子３３の各歯３
３ａの円周方向の間隙ｇは、極めて微少に設定されてお
り、また、隣接する段の歯３３ａとの間隙Ｇには、多段
リング状回転子３４の歯３４ａが位置するので、半径方
向（軸方向）の間隙も極めて微少になっている。

【００５１】多段リング状回転子３４を高速回転させる
ことにより、該多段リング状回転子３４のスリット３１
の混合液は、遠心力により、一番内側の段の多段リング
状固定子３３の歯３３ａに押しつけられた後、多段リン
グ状固定子３３のスリット３１に入り解放される。

【００５２】このとき混合液は、多段リング状回転子３
４と多段リング状固定子３３とにより、強いせん断力を
加えられるとともに、高周波レベルの圧力変化を受け
る。

【００５３】また、混合液の一部は、多段リング状固定
子３３と多段リング状回転子３４の軸方向、および半径
方向の空隙部に入り、ズリ応力が加えられた後、多段リ
ング状固定子３３のスリット３１に入る。

【００５４】多段リング状固定子３３の内側の段の歯３
３ａのスリット３１の混合液は、後に続く混合液により
押し込まれ、外側の段に位置する多段リング状回転子３
４のスリット３１に入る。

【００５５】これを繰り返しながら、混合液は円周方向
に移動し、乳化分散が完了する。

【００５６】従って、注入口３７から注入された混合液
は、多段リング状回転子３４の高速回転による遠心力
で、流動が加えられ、多段リング状固定子３３のスリッ
ト３１を通過するとき、混合液が封じ込まれ、更に外側
の段の歯によって解放される圧力変化動作（キャビテー
ション）を瞬間的に繰り返し、両者の微少間隙により、
せん断乳化が行われる。

【００５７】このようにして、混合液の封じ込めと解放
によるせん断および圧力変化は、極めて効率的な乳化作
用を与える。

【００５８】なお、上記のような構成を備えた乳化機と
しては、例えば、日鉄鉱業（株）のキャビトロン（商品
名）がある。

【００５９】キャビトロン（商品名）ＣＤ１０１０型の
具体的仕様を、下記に示す。

【００６０】多段リング状回転子は、４段で外径３５〜
７４ｍｍである。

【００６１】多段リング状回転子のスリット数は、１２
〜７２で、スリット幅は３．０〜０．６ｍｍである。

【００６２】多段リング状固定子は、３段で外径４６〜
６８ｍｍである。

【００６３】多段リング状固定子のスリット数は、２４
〜７２で、スリット幅は２．０〜０．６ｍｍである。

【００６４】内圧調節手段５は、乳化機３によって乳化
されたアスファルト水乳化物の取出口３８に接続された
配管の先端側に、背圧弁５１とニードル弁５２とを並列
管路でつないだものである。

【００６５】背圧弁５１は、乳化機３の内圧を設定値に
保持する能力を有するもので、圧力設定値は、連続的に
変化可能な構造である。

【００６６】内圧の調節は、乳化機３の内圧が所定の圧
力以上になるように、乳化機３の処理量に応じてニード
ル弁５２を絞っておいてから、背圧弁５１の圧力を設定
することで行う。

【００６７】例えば、乳化機３の内圧が上がり過ぎた場
合には、背圧弁５１から液状の混合物の一部を逃がすこ
とで、乳化機３の内圧を設定した一定値に保つ。

【００６８】冷却手段７は、冷却水によって冷却される
冷却器７１によってなる。

【００６９】冷却器７１の一端は、乳化機３の取出口３
８に接続されている。

【００７０】乳化機３によって乳化されたアスファルト
水乳化物は、冷却器７１によって、５０℃程度に冷却さ
れた後に、アスファルト水乳化物タンク７２に入る。

【００７１】上記の乳化機３は、従来のコロイドミルや
ハレル型ホモジナイザーなどに比して、円筒状函体３６
内の容積を立体的に活用できるため、接触部の面積を大
きくすることができ、また、ズリ応力だけでなくせん断
力、高周波レベルの圧力変化を併用できるので、接触部
の間隙を極端に小さくする必要がないため、製作上の問
題が少なく大型化が可能なものである。

【００７２】なお、重質油、水乳化物の油滴の微粒化
は、原料の粘度が小さい方が容易となる。

【００７３】一方、重質油の粘度は温度上昇により減少
するので、重質油の乳化分散は温度が高い方がよい。

【００７４】もちろん水が蒸発するので、加圧下で乳化
分散を行うことが望ましい。

【００７５】上記の設定を基にして、次の条件により、
実際にアスファルト水乳化物を製造した。

【００７６】アスファルトとして、原油精製工程から得
たストレートアスファルトを用い、乳化液として、全乳
化物に対して、ノニオン系界面活性剤を０．４％、アニ
オン系界面活性剤を０．２％添加したものを用いた。

【００７７】また、アスファルトの性状は、比重１．０
３、粘度は８５℃にて４００００ｃｐ，１００℃にて４
０００ｃｐ，１２０℃にて１０００ｃｐであり、軟化点
４６℃、引火点３５８℃であった。

【００７８】原料比率は、アスファルト：乳化液＝７
０：３０であった。

【００７９】原料温度は、アスファルトが１４０℃、ア
スファルト混合前の乳化液が６０℃であった。

【００８０】そして、上記の乳化機３について、多段リ
ング状回転子と多段リング状固定子の間隙を、軸方向６
００μｍ（スリット間隔）、円周方向２５０μｍとし、
回転数１１２０ｒｐｍ（周速４４ｍｍ／秒）で運転し
た。

【００８１】この際、混合液の供給速度（処理量）は、
２００ｋｇ／時間であり、乳化機３の内部圧力は、３．
２ｋｇ／ｃｍ² であり、混合液の平均温度は１００℃で
あり、アスファルトのこの温度における粘度は４０００
ｃｐであった。

【００８２】

【実施例２】

【００８３】乳化機３の内部圧力を、３．０ｋｇ／ｃｍ
² とし、混合液の平均温度が８５℃となるようにする以
外は、上記実施例１と同様の条件で、アスファルト水乳
化物を製造した。

【００８４】なお、混合液の温度８５℃におけるアスフ
ァルトの粘度は、１５０００ｃｐであった。

【００８５】

【比較例１】

【００８６】乳化機３の内部を加圧することなしに、混
合液の平均温度が１００℃となるようにする以外は、上
記実施例１と同様の条件で、アスファルト水乳化物を製
造した。

【００８７】

【比較例２】

【００８８】乳化機３の内部を加圧することなしに、混
合液の平均温度が８５℃となるようにする以外は、上記
実施例１と同様の条件で、アスファルト水乳化物を製造
した。

【００８９】

【比較例３】

【００９０】乳化機として、下記のハレル型ホモジナイ
ザーを使用し、下記の条件以外は、上記の実施例１と同
様の条件で、アスファルト水乳化物を製造した。

【００９１】回転子と固定子の間隙は、５０μｍであ
る。回転数は、１００００ｒｐｍ（周速６５ｍ／秒）で
ある。混合液の供給速度は、１０ｋｇ／時間である。内
部圧力は、開放である。内部温度は、９０℃である。

【００９２】

【試験例】

【００９３】上記実施例１で得たアスファルト水乳化物
（本発明品１）、実施例２で得たアスファルト水乳化物
（本発明品２）、比較例１〜比較例３で得たアスファル
ト水乳化物（比較品１〜比較品３）について、下記のよ
うな試験を行った。

【００９４】各アスファルト水乳化物について、目開き
３２μｍと１５０μｍの篩いによる篩分試験をした。

【００９５】篩分試験の結果は、本発明品１，本発明品
２，比較品３については、３２μｍ，１５０μｍの両方
の篩を通過した。

【００９６】比較品１は、１５０μｍの篩は通過したが
３２μｍの篩は通過しなかった。

【００９７】比較品２は、１５０μｍ，３２μｍの両方
の篩を通過しなかった。

【００９８】次に、３２μｍの篩を通過したもの、即
ち、本発明品１，本発明品２，比較品３について、レー
ザー回析式粒度測定装置により粒径分布を求めた。

【００９９】結果を表１に示す。

【０１００】

【表１】

【０１０１】表１の結果によると、本発明品１及び本発
明品２は、ハレル型ホモジナイザーを使用した比較品３
より、平均粒径が小さいものであることがわかる。

【０１０２】

【発明の効果】

【０１０３】本発明によれば、平均粒径が小さく安定性
に優れたアスファルト微粒子を高濃度に含有したアスフ
ァルト水乳化物を、大量に製造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るアスファルト水乳化物の製造工程
の概略図

【図２】本発明に係る乳化機の縦断概略図

【図３】図２のＹ−Ｙ線断面概略図

【図４】本発明に係る乳化機の要部の拡大図

【符号の説明】

１ 混合手段 ３ 乳化機 ５ 内圧調節手段 ７ 冷却手段 １１ 加熱用ジャケット １２ アスファルトタンク １３ アスファルトポンプ １４ アスファルト流量計 １５ 逆止弁 １６ 縮流装置 １７ 加熱用循環ポンプ １８ ヒータ １９ 投込みヒータ ２０ 乳化液タンク ２１ 乳化液ポンプ ２２ 乳化液流量計 ２３ 逆止弁 ２４ 縮流装置 ３１ スリット ３３ 多段リング状固定子 ３３ａ 歯 ３４ 多段リング状回転子 ３４ａ 歯 ３５ 軸心部 ３６ 円筒状函体 ３７ 注入口 ３８ 取出口 ５１ 背圧弁 ５２ ニードル弁 ７１ 冷却器 ７２ アスファルト水乳化物タンク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山崎 久夫 東京都東大和市向原３丁目816番地68号

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加熱により粘度を低下させた溶融アスフ
   ァルトと、界面活性剤を含む添加剤の水溶液（乳化液）
   を、スリットを有する多段リング状固定子と、該多段リ
   ング状固定子に組み合う同じくスリットを有する多段リ
   ング状回転子とを同軸上に備えた乳化機に供給し、乳化
   機内の流体の平均温度をアスファルトの粘度が２０００
   ０ｃｐ以下になる温度以上とし、かつ、乳化機の内部を
   加圧し、沸騰を防止し得る圧力以上に保った状態で乳化
   させ、その操作により得られたアスファルト水乳化物
   を、急速に貯蔵温度まで冷却する事を特徴とする、高濃
   度アスファルト水乳化物の製造方法。
2. 【請求項２】 乳化機の操作により得られたアスファル
   ト水乳化物のアスファルト含有量が、６５重量％以上で
   ある、請求項１記載の高濃度アスファルト水乳化物の製
   造方法。