TWI497024B - A rotary asphalt heat treatment device - Google Patents

Description

一種旋轉式瀝青熱處理裝置

本發明是一種旋轉式瀝青熱處理裝置，特別是指一種以旋轉方式連續製作瀝青材料之熱處理裝置。

瀝青(pitch)原料之來源豐富且價值低廉，為石油與煤化工業的副產物(例如石油精製殘渣油、石油渣油、煤渣油、煤瀝青及溶劑精製煤)以及一些純芳香烴高分子化合物(如萘、蔥等)，依據瀝青來源的不同，可以分成煤焦瀝青(coal tar pitch)與石油瀝青(petroleum pitch)兩大類。經過適當的純化或改質處理，可提高其芳香度和減少雜質、金屬離子和灰分，這類純化後的瀝青亦可稱為精製瀝青(refined pitch)。精製瀝青擁有高碳化率及易石墨化特色，能使最終產物具有高模數、高導熱、高導電及低膨脹率性質，可廣泛應用於電池負極、核反應電極、航太、軍武及運動器材與雷達的吸波材料上。

為提高瀝青的利用性，許多研究者對石油瀝青與煤焦瀝青的改質進行了深入的研究，其主要目的一是調整瀝青的軟化點與液態黏度，以提高熔融瀝青的流動性；一是提高碳化後的碳產率。一般改質的方法最常使用氧化法、熱縮聚法與回配法，氧化法係讓瀝青在一定的條件下，通入空氣使其氧化，可以獲得最大碳產率，並具有較好流變性 能的改質瀝青。此方法操作成本最低，但其後續應用潛力受限，較難製成諸如介相瀝青(mesophase pitch)等高附加價值產品。

熱縮聚法是使瀝青在聚合反應槽中，在一定的溫度壓力下進行一定時間的聚合反應，可獲得不同性能指標的精製瀝青。這種方法對瀝青改質幅度大，操作簡單，但處理時間很長，並且獲得的精製瀝青碳產率通常偏低。常用的熱聚合方法有常壓熱縮聚和加壓熱縮聚兩種，加壓熱縮聚能使瀝青中的低分子量成分先保留下來，可維持瀝青較低的黏度和良好的流動性，使精製瀝青的性能優於常壓熱縮聚，但操作成本較高。

回配法是通過減壓蒸餾、溶劑分離和超臨界抽提等方法將石油或煤焦瀝青的成分進行分離，根據需求對石油或煤焦瀝青的結構性能進行調整，優化其組成，以獲取最大的碳產率和合適的軟化點及流動性能。回配法所需製程設備與參數條件通常較複雜嚴苛，操作成本最高。

就熱縮聚法而言，瀝青在熱處理過程中可分為三個階段，第一階段(溫度低於200℃)，瀝青首先熔融脫水，本身含有的低分子量成分少量逸出，並伴隨少量的熱分解反應，此時熱重損失仍屬緩慢。第二階段(溫度260~500℃)熱裂解與熱縮聚反應兩者同時急遽發生，造成揮發物大量排出，在260~360℃之間，熱裂解反應速率隨著溫度的升高而 增大，一般在340~400℃會產生最大的熱重損失，而在360~500℃之間，熱裂解反應隨著溫度的升高而下降，使瀝青環芳香烴分子直徑逐漸增大。第三階段(溫度高於500℃)，瀝青碳化逐漸形成半焦碳結構，熱裂解與熱縮聚反應兩者逐漸趨於停止，只有少量殘留的物質會緩慢地揮發。

在不同升溫速率下，所獲得精製瀝青之性質亦不相同。快速升溫將使得許多瀝青低分子量成分來不及熱聚縮並分解揮發逸出，此種來不及熱聚縮而逸出揮發的低分子量成分，會延遲到高溫區才分解揮發逸出，將導致瀝青軟化點溫度朝向高溫區域移動。而升溫速率加快也將導致瀝青熱裂解逸出成分增加，總失重率隨著升溫速率的加快而增大，不利於瀝青碳產率之提高。

由於瀝青熱處理過程本身也是一種脫氫反應，通常熱處理後的瀝青軟化點高達350℃以上，相對地造成瀝青後端加工成型溫度勢必要求更高，產製成本也隨之增加。因此，調整瀝青軟化點與其適當的黏度，儘可能呈現非觸變流動的瀝青原料，如何有效地抑制或降低熱處理後中高分子量成分，使得瀝青軟化點達到適當的範圍，將是成為高品質精製瀝青的關鍵條件之一。另一方面，如何在製程中縮短熱處理時間，同時讓瀝青均勻受熱，使精製瀝青產率與品質均能向上提升，將直接影響到整體產製成本費用之降低成效，最終達到增加瀝青改質附加價值的目標。

一般習知之瀝青原料可分為固態及液態兩種，固態瀝青原料要進行熱縮聚反應改質處理時，必須先將其進行預熱處理，使之轉變為液態瀝青，再以幫浦進行輸送至反應槽內，例如美國發明專利US2796388、US4177132、US7318891與US4242196皆提出設置預熱處理區，將原料先預熱至一定溫度，將固態原料先轉化成液態原料，或將原本黏度較高之液態瀝青降低其黏度，以利使用幫浦傳送至反應槽。另美國發明專利US4242196、US4177132中揭露瀝青熱處理反應槽內均以攪拌器對瀝青進行攪拌以提高瀝青受熱均勻性，一般文獻亦常見反應槽之攪拌器設計。然而，對於瀝青之連續性生產製程而言，此類型熱處理反應槽難以確保大量瀝青之受熱均勻性，直接影響瀝青產品品質；同時，此類型熱處理反應槽為讓瀝青充分受熱，需較長的操作時間，也提高了精製瀝青產品生產成本。此外，美國發明專利US7033485中運用刮膜蒸發器(wiped film evaporator)進行瀝青之精製改質。刮膜蒸發器是由上部的驅動部分和下部的蒸發濃縮部分所組成，驅動部分包含齒輪減速馬達，蒸發濃縮部分包含夾套蒸發筒槽及轉子等，轉子設有分佈器、摘沫器、主軸、溝箱刮板以及支架等結構，主要是利用薄膜容易快速蒸發之特點達到高效率製程。刮膜蒸發器自1940年由瑞士製做出第一台雛型機以來，經由業界不斷的改良發展，目前已在化工、石油、染 料、食品、醫療和廢水處理中的蒸發、分餾、脫水、脫臭、冷卻、結晶與化學反應方面獲得廣泛應用。唯其系統組件複雜，核心運作理念仍屬轉子攪拌機制，建置及維護成本較高，不利於經濟生產。因此，目前習知的瀝青熱處理反應槽之設計，仍具有一定精進改良之空間。

有鑑於此，本發明是一種以旋轉方式形成連續瀝青薄膜，並對其均勻加熱後收集運用之設計方式，跳脫傳統轉子攪拌之概念，為可連續操作生產之瀝青改質熱處理方法。

本發明之主要目的在於提供一種旋轉式瀝青熱處理裝置，透過該旋轉單元沾黏瀝青溶液，使該瀝青溶液形成一瀝青薄膜，透過該熱處理單元均勻加熱該瀝青薄膜，藉以達到均勻受熱之目的。

本發明之另一目的在於提供一種旋轉式瀝青熱處理裝置，透過一收集單元刮除旋該轉單元表面之瀝青薄膜，藉以達到連續式瀝青熱處理之目的。

為達上述之目的，本發明提供一種旋轉式瀝青熱處理裝置，以加熱方式使瀝青形成一瀝青溶液，再透過管路輸送至原料槽內，進行連續式瀝青熱處理，其裝置係包括：係設置於該原料槽上方之旋轉單元、設置於該旋轉單元一側之厚度控制單元、設置於該旋轉單元一側之加熱單元， 及設置於該旋轉單元相對該厚度控制單元一側之收集單元，其中，該厚度控制單元係用以控制該黏附於旋轉單元表面之瀝青溶液之厚度，配合加熱單元對該瀝青溶液進行熱處理，藉由該收集單元將該表面之瀝青溶液利用該收集單元將該附著於該旋轉單元上之瀝青薄膜，自該旋轉單元表面取下，藉以達到連續熱處理瀝青溶液之目的。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖示中加以闡述。

以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點與功效。

請參照第1圖所示，係為本發明之一種旋轉式瀝青熱處理裝置之製程示意圖，如圖所示，該瀝青熱處理製程係以熱處理反應槽120為核心單元，其上游主要包括瀝青預熱槽100與惰性氣體槽110，其下游主要包括揮發物過濾槽130與精製瀝青收集槽140。各製程單元間之連接管路中，另設有高壓幫浦、抽氣幫浦、控制閥等附屬元件。

請參閱第2圖所示，係為本發明之一種旋轉式瀝青熱處理裝置示意圖，如圖所示，係透過預熱方式使該瀝青材料 形成瀝青溶液，透過一瀝青預熱槽連接管路301注入原料槽320，於該原料槽320上方設置一旋轉單元310於作低速轉動，其中，該旋轉單元310與該原料槽320可分別做上升，或下降相對高低位置調整，以使旋轉單元310於預熱階段離開瀝青液面，或隨瀝青液面高低作高度調整，於該旋轉單元310之一側，利用一厚度控制單元330形成一厚度均勻之瀝青薄膜，再透過裝設於該旋轉單元310上方之加熱單元340，對瀝青薄膜進行熱處理，且該加熱單元340可採分區控溫，以針對不同區域瀝青，執行不同溫度需求之熱處理，該原料槽320附包括有冷卻與控溫裝置，以調整該原料槽320中瀝青溶液溫度，藉以達到控制瀝青溶液黏度之目的，最後於該旋轉單元310相對該厚度控制單元330之一側設有一收集單元350，透過該收集單元350刮除並收集沾黏於該旋轉單元310表面之瀝青薄膜材料，俾使該瀝青自旋轉單元表面刮除並收集，藉以達到提高瀝青溶液受熱均勻度，改善傳統反應槽內、外溫度不均現象，再將收集到之瀝青薄膜材料導入該收集槽連接管路305，以得到連續精製瀝青之目的，如第3圖所示，係為本發明之一種旋轉式瀝青熱處理裝置之旋轉單元示意圖，如圖所示，該旋轉單元310係包括一轉軸311、一連接該轉軸311之驅動馬達312、一變速裝置313、一耐溫氣密軸承314及一本體315，且該旋轉單元310之本體315為一圓柱型，或其他具軸心之軸對稱旋轉物體， 透過旋轉方式使該瀝青溶液沾黏被覆於本體315圓周表面。

若設定圓柱型滾筒之半徑為R(m)；長度為L(m)；轉速為ω(rpm)，瀝青薄膜厚度為t(m)；瀝青原料密度為ρ(kg/m³)；瀝青原料低分子量揮發物含量比率為r(0<r<1)，瀝青預熱槽溫度為T1(℃)，加熱裝置溫度為T2(℃)，瀝青原料輸入率為Q1(kg/min)，瀝青熱處理產率為Q2(kg/min)，則瀝青原料輸入率可以[公式1]概算；瀝青熱處理產率可以[公式2]概算，而滾筒轉速ω、薄膜厚度t、瀝青預熱溫度T1、加熱裝置溫度T2為影響瀝青熱處理品質之主要控制參數。

Q1=2πR．L．t．ρ．ω [公式1]

Q2=2πR．L．t．ρ．ω．(1-r) [公式2]

請參閱第4圖，係為本發明之一種旋轉式瀝青熱處理裝置第一實施態樣示意圖，如圖所示，係連接兩組或兩組以上旋轉式瀝青熱處理裝置，將瀝青利用瀝青預熱槽400進行預熱，再由惰性氣體槽410提供一惰性氣體，依一定比例混合導入第一旋轉式瀝青熱處理裝置420，於該第一旋轉式瀝青熱處理裝置420進行熱處理動作，將已進行過一次熱處理後之瀝青溶液，輸送至第二旋轉式瀝青熱處理裝置430進行第二次瀝青熱處理作業，其中，第一旋轉式瀝青熱處理裝置420及第二旋轉式瀝青熱處理裝置430間，設置有一控制閥421，藉由該控制閥421調控該第一旋轉式瀝青熱處理裝 置420熱處理後之材料流向，並於該控制閥421另一端設置一精製瀝青收集槽440，或導入第二旋轉式瀝青熱處理裝置430進行更高等級產品之精製改質，後再輸送之最終產品收集槽450內。

請參閱第5圖，係為本發明之一種旋轉式瀝青熱處理裝置第二實施態樣示意圖，如圖所示，係指單一瀝青預熱槽管路同時連接兩組或兩組以上滾筒式瀝青熱處理裝置，各滾筒式瀝青熱處理裝置之材料出口連接至同一精製瀝青收集槽，將瀝青利用一瀝青預熱槽500進行預熱，透過一惰性氣體槽510提供一惰性氣體，同時連接第一旋轉式瀝青熱處理裝置520，及第二瀝青熱處理裝置530，或連接兩組以上旋轉式瀝青熱處理裝置，各旋轉式瀝青熱處理裝置之材料出口連接至同一精製瀝青收集槽540，藉以得到一種低成本、高效率之瀝青連續熱處理製程。

上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及其功效，而非用於限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟習此技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

100、400、500‧‧‧瀝青預熱槽

110、410、510‧‧‧惰性氣體槽

120‧‧‧熱處理反應槽

130‧‧‧揮發物過濾槽

140‧‧‧精製瀝青收集槽

301‧‧‧瀝青預熱槽連接管路

305‧‧‧收集槽連接管路

310‧‧‧旋轉單元

320‧‧‧原料槽

330‧‧‧厚度控制單元

340‧‧‧加熱單元

350‧‧‧收集單元

311‧‧‧轉軸

312‧‧‧驅動馬達

313‧‧‧變速裝置

314‧‧‧耐溫氣密軸承

315‧‧‧本體

420、520‧‧‧第一旋轉式瀝青熱處理裝置

430、530‧‧‧第二旋轉式瀝青熱處理裝置

421‧‧‧控制閥

440、540‧‧‧精製瀝青收集槽

450‧‧‧最終產品收集槽

第1圖係為本發明之一種旋轉式瀝青熱處理裝置之製程示意圖；第2圖係為本發明之一種旋轉式瀝青熱處理裝置示意圖；第3圖係為本發明之一種旋轉式瀝青熱處理裝置之旋轉單元示意圖；第4圖係為本發明之一種旋轉式瀝青熱處理裝置第一實施態樣示意圖；以及第5圖係為本發明之一種旋轉式瀝青熱處理裝置第二實施態樣示意圖。

301‧‧‧瀝青預熱槽連接管路

305‧‧‧收集槽連接管路

310‧‧‧旋轉單元

320‧‧‧原料槽

330‧‧‧厚度控制單元

340‧‧‧加熱單元

350‧‧‧收集單元

Claims (13)

1. 一種旋轉式瀝青熱處理裝置，利用加熱方式使瀝青形成一瀝青溶液，再透過管路輸送至原料槽內，進行連續式瀝青熱處理，其裝置係包括：一旋轉單元，係設置於該原料槽上方，以低速轉動方式使該瀝青溶液沾黏被覆於該旋轉單元表面；一厚度控制單元，係設置於該旋轉單元之一側，用以刮除該旋轉單元表面多餘之瀝青溶液，俾使該瀝青溶液形成一厚度均勻之薄膜；一加熱單元，係設置於該旋轉單元一側，用以加熱該旋轉單元表面之瀝青薄膜；以及一收集單元，係設置於該旋轉單元相對該厚度控制單元之一側，利用該收集單元將該附著於該旋轉單元上之瀝青薄膜，自該旋轉單元表面取下，藉以提高瀝青溶液受熱均勻度，改善傳統反應槽內、外溫度不均現象，進一步達到連續熱處理瀝青溶液之目的。
2. 如申請專利範圍第1項所述之一種旋轉式瀝青熱處理裝置，其中，該瀝青溶液係包括煤焦油、煤焦瀝青、石油瀝青、石油分餾之重質油、軟瀝青、柏油其中之一或其混合物；亦泛指其他具兩種或兩種以上成份，且在熱處理溫度範圍內，具一定黏度之混合物。
3. 如申請專利範圍第1項所述之一種旋轉式瀝青熱處理裝置， 其中，該旋轉單元係包括一轉軸、一連接該轉軸之驅動馬達、一變速裝置、一耐溫氣密軸承及一本體。
4. 如申請專利範圍第3項所述之一種旋轉式瀝青熱處理裝置，其中，該本體係為一圓柱型物體。
5. 如申請專利範圍第3項所述之一種旋轉式瀝青熱處理裝置，其中，該本體材質係為金屬或其他耐溫材料。
6. 如申請專利範圍第3項所述之一種旋轉式瀝青熱處理裝置，其中，該本體係為中空或實心。
7. 如申請專利範圍第5項所述之一種旋轉式瀝青熱處理裝置，其中，該本體表面係為光滑表面或粗糙表面。
8. 如申請專利範圍第1項所述之一種旋轉式瀝青熱處理裝置，其中，該加熱單元係具有一測溫裝置。
9. 如申請專利範圍第8項所述之一種旋轉式瀝青熱處理裝置，其中，該加熱單元係以電氣、電熱輔助廢氣、電熱輔助蒸汽等方式加熱。
10. 如申請專利範圍第1項所述之一種旋轉式瀝青熱處理裝置，其中，該收集單元係為一刮刀。
11. 如申請專利範圍第10項所述之一種旋轉式瀝青熱處理裝置，其中，該收集單元係可依設計調整厚度變化。
12. 如申請專利範圍第1項所述之一種旋轉式瀝青熱處理裝置，其中，該收集單元係為金屬，或其他耐溫材料所製之厚度控制刮刀。
13. 如申請專利範圍第10項所述之一種旋轉式瀝青熱處理裝置，其中，該刮刀外型為一扁型漏斗狀管道，或其他具有溢料防制設計之漸縮式溝槽。