TWI513497B - An apparatus for producing asphalt with high yield and its making method - Google Patents

An apparatus for producing asphalt with high yield and its making method Download PDF

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Description

一種高產率淨化瀝青之設備及其製作方法
本發明是一種高產率淨化瀝青之製作方法及其設備，特別著重快速、簡便、安全與節能。
瀝青含碳率高達90%左右，本身具備高度石墨化的特性，可以說是優良碳材原料來源之一，它的來源豐富且其價格低廉，通常是石油與煤化工業的副產品(例如石油精製殘渣油、石油渣油、煤焦油與煤瀝青)及少部份的純芳烴所組成。根據瀝青來源的不同，可以分成兩大類，分別是煤焦瀝青(coal tar pitch)與石油瀝青(petroleum pitch)。
瀝青內含有一定量的固體微粒，以煤焦瀝青而言，通常來自於煤焦化過程中，上升煤氣流挾帶的煤灰顆粒、爐壁耐火磚粉末、爐門、煤氣集管鐵件腐蝕的鐵屑與氧化物粉末，其粒徑約10μm左右，或是約25μm的碳黑或煤焦粉末所構成。以石油瀝青而言，通常是石油觸媒催化製程中，來自於設備腐蝕的鐵屑所構成。由於20~50μm等級的固體微粒與瀝青之間密度差異不大，導致固體微粒懸浮於瀝青內，無法透過傳統靜置沈降法取出，即使外觀呈現黏稠狀態的瀝青，當時也具備相當高的黏滯性係數。然而固體微粒亦會阻礙體介相瀝青(bulk mesophase pitch)的生成，使得瀝青不能轉化為高順向性排列與光學異方向性的碳前驅體材料。碳纖維紡絲過程中，該固體微粒亦可能堵塞紡絲孔，或者殘留在碳纖維產品內，容易形成碳纖 維的斷裂來源。這類懸浮在瀝青內的固體微粒，由於它們不溶於奎林(Quinoline)溶劑，一般又可簡稱為奎林不溶物(Quinoline Insoluble；QI)，可以參照美國標準測試(ASTM D2318)來進行檢測。因此如何能夠有效地從瀝青內移除QI含量，將決定該瀝青可否被運用到高品質碳材料的關鍵因素之一。
查詢國內專利資料庫，沒有任何有關於淨化瀝青的專利。查詢美國專利資料庫，發現與本發明相似的4篇專利。第1篇美國發明專利US4986895煤焦油或煤焦瀝青之處理過程，第1個實施例是使用40L容積高溫離心機進行瀝青固液分離，以轉速3,000rpm、離心力2,280G、溫度200℃與處理量1ton/hr，得到浮在表面液體，再熱處理380℃、3kg/cm2、14hrs，得到75%產率的煤焦瀝青(2.5wt%QI、26.2wt%BI、40.2℃ SP)。第2個實施例以轉速3,000rpm、離心力2,280G、溫度270℃與處理量1ton/hr，得到55%產率的淨化瀝青(微量QI、31.5wt%TI、87.5℃ SP)。
第2篇是美國發明專利US4517072之煤焦瀝青改質處理，第1個實施例以洗油為溶劑時，利用熱溶過濾裝置得到淨化瀝青(0.03wt% QI)，原始瀝青含0.5wt%QI。第2個實施例以甲基吡咯烷酮(NMP)為溶劑時，利用熱溶過濾裝置得到淨化瀝青0.03wt%QI)，原始瀝青含5.1wt%，另外提及可以使用高溫離心或重力沈降方式來達到同樣的分離效果。
第3篇美國發明專利US4259171之煤焦瀝青的奎林不溶物分離製作方法，第1個與第2個實施例都是在180℃、1hr條件下進行靜置 沈降進行固液分離，等待沈降於底部的殘留物移除，以及蒸餾掉所加入溶劑後，第1個實施例可以得到淨化瀝青(0.08wt%QI、14.7wt%TI、64℃ SP)與第2個實施例的淨化瀝青(0.1wt%QI、13.0wt%TI、56℃ SP)。
第4篇美國發明專利US4127472針狀焦碳原材料之準備製程，第1個與第2個實施例都是在20~100℃條件下，以靜置沈降進行固液分離，第1個實施例可以得到淨化瀝青(微量QI、2.6wt%TI、23℃ SP)與第2個實施例的淨化瀝青(微量QI、5.2wt%TI、27℃ SP)。
上述美國發明專利有下列3項缺點：(1)使用高溫離心裝置或液旋裝置進行瀝青固液分離時，高溫旋轉裝置容易造成機件損壞、操作與維修成本較高、設備投資昂貴等問題。(2)採用熱溶過濾裝置進行瀝青固液分離時，該方法雖然設備簡易與低耗能，但是對濾網的要求嚴格，操作上較為不便。(3)靜置沈降後進行固液分離時，分離的方法有許多型態，上層抽取的方式取得微量QI的瀝青溶液，其吸力大非常擾動下層固態殘留物，因而抽取到下層含大量QI的瀝青溶液；下層排放的方法容易排放到上層微量QI的瀝青溶液，一旦下層形成死角區域，便無法有效地清除底層含大量QI的瀝青溶液。
由於瀝青本身擁有非常高的黏滯性係數，即使將瀝青加熱超過軟化點時，瀝青依舊呈現高黏稠的型態。首先在瀝青內加入適當數 量的芳香族(aromatic)溶劑，使得溶劑與瀝青均勻混合攪拌，降低瀝青的黏滯性係數以及增加流動性。其次加入脂肪族(aliphatic)溶劑，藉以凝結瀝青內懸浮固體微粒(QI)，並使它們能夠互相凝結在一起，增加本身的重量。利用本發明之瀝青反應槽，在短時間內從高黏稠的瀝青溶液內，顧及淨化瀝青之QI含量與淨化瀝青產率等條件下，得到高產率淨化瀝青。
本發明主要目的是一種高產率淨化瀝青之製作方法及其設備，著重快速、大量、簡便、安全與節能的製程。
為了達到本發明上述目的，本發明提供一種高產率淨化瀝青之製作方法及其設備，具備高產率之小於0.05wt%QI含量的淨化瀝青，同時達到高品質碳工業產品要求水準，創造更高的附加價值，同時達到廢棄物再度回收利用的效益，可以運用於人工石墨之黏著劑、碳/碳複合材料之浸滲材料與碳纖維前端材料等高品質碳材料領域。為了讓熟悉該項技術人員能夠詳細地瞭解本發明之宗旨、目的、特徵及功能，茲藉由下述最佳具體實施例來加以說明。
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它優點與功效。
請參閱圖一及圖四所示，係分別為本發明一種高產率淨化瀝青之設備示意圖及本發明一種高產率淨化瀝青製作方法流程示意圖。 一種高產率淨化瀝青之製作方法及其設備，其包括：(A)提供一配調溶劑比例之瀝青溶液於一高產率淨化瀝青裝置(100)(S11)；(B)提供一惰性氣體於瀝青反應槽(101)內，並持溫靜置一段時間(S12)；(C)攪拌棒(200)以一定速度置入瀝青反應槽(101)內一瀝青溶液(S13)；(D)使得攪拌棒(200)之上擋板(202)與下擋板(203)原貫穿的孔洞(202a、203a)呈現封閉型式(S14)；(E)開啟產物出口端(104)，排除圓錐凹槽(106)內含QI成分之瀝青溶液(S15)；(F)反覆注入溶劑清洗圓錐凹槽(106)數次，直到含QI成分之瀝青溶液全數移除(S16)；(G)關閉產物出口端(104)，使得攪拌棒(200)之上擋板(202)與下擋板(203)原封閉的孔洞(202a、203a)呈現貫穿型式(S17)；(H)移動攪拌棒(200)之上擋板(202)與下擋板(203)到環狀槽(105)的水平位置，並以一定轉速旋轉，以及氣體出口端(103)抽真空(S18)一段時間；(I)得到一高產率淨化瀝青(S19)。
實施例一：
本發明為一種高產率淨化瀝青之製作方法，步驟(A)提供一配調溶劑比例之瀝青溶液於一高產率淨化瀝青裝置，該裝置包括有瀝青反應槽與攪 拌棒所組成，瀝青反應槽係由氣體入口端、氣體出口端、產物出口端、環狀槽與圓錐凹槽所組成，其中攪拌棒係由攪拌葉片、上擋板與下擋板所組成，上擋板與下擋板係連結於攪拌棒結構上。步驟(B)是加入一惰性氣體於瀝青溶液中，將該惰性氣體(氮氣、氬氣、氦氣或其混合之群組)加入瀝青反應槽內，主要目的是為了保護該瀝青在熱處理過程中，避免與空氣接觸因而形成氧化交聯反應，一瀝青溶液加熱溫度控制在60~140℃，最佳加熱溫度在80~120℃，加熱時間控制在0.5~24小時，最佳加熱時間在1~12小時。步驟(C)攪拌棒下降速度控制在0.1~50cm/s，最佳下降速度控制在0.5~20cm/s，置入瀝青反應槽內一瀝青溶液，直到攪拌棒之下擋板固定於圓錐凹槽為止，攪拌棒之上擋板與下擋板每平方公尺上的孔洞數量1~1,000個，其孔洞形狀為矩形、長方形、圓形、三角形或其組合之群組，上擋板與下擋板係之孔洞可以全數貫穿或封閉型式。步驟(D)使得攪拌棒之上擋板與下擋板原貫穿的孔洞呈現封閉型式，如圖四(a)所示，此時一瀝青溶液被擋板分割為上下兩層瀝青溶液，上層是不含QI成分之瀝青溶液，下層是含大量QI成分之瀝青溶液，並殘留在圓錐凹槽內。步驟(E)開啟瀝青反應槽之產物出口端，使得圓錐凹槽內一瀝青溶液全數排除。步驟(F)反覆地注入液體(丙酮、正庚烷、酒精、水或其混合之群組)清洗圓錐凹槽內1~10次，最佳清洗次數為2~5次，以確保含大量QI成分之瀝青溶液不會繼續殘留在圓錐凹槽內，如圖三(a)~(c)所示。步驟(G)再關閉瀝青反應槽之產物出口端，使得攪拌棒之上擋板與下擋板原封閉的孔洞呈現貫穿型式，如圖四(b)所示，此時上層瀝青溶液經由擋板的孔洞注入圓錐凹槽。步驟(H)移 動攪拌棒之上擋板與下擋板到環狀槽水平位置，此時上擋板與下擋板脫離與瀝青反應槽直接接觸，再以減壓蒸餾方式移除先前加入瀝青內的配調溶劑(一定比例之芳香族與脂肪族添加物所組成)，攪拌棒旋轉速度控制在0~1,000rpm，其最佳攪拌速度在100~500rpm，其中轉速可以固定或變動，真空度控制在10-3~500Torr，其最佳真空度在10-1~300Torr，操作溫度控制在200~400℃，最佳操作溫度在250~350℃，操作時間控制在30~120分鐘，最佳操作時間在40~100分鐘，其中瀝青反應槽與攪拌棒，係可為不銹鋼、碳鋼、銅、鐵或其混合之群組，其中攪拌葉片數量2~10片，葉片形狀為矩形、長方形、圓形、三角形或其組合之群組。步驟(I)得到小於0.05wt%QI含量的高產率淨化瀝青。
本發明專利乃是一種高產率淨化瀝青之製作方法及其設備，為一種瀝青材料製作概念說明，亦可用其它之特定方法來實現，皆不脫離本發明之特點與精神所在。因此文章所列舉之參數設定多寡或設計概念，在各方面皆應該被視為例示性而不是限制性範例，故所有相似性的改變只要合乎本專利之申請的範圍所定義及精神，均應該被包含在本專利所主張的範疇內。
S11~S19‧‧‧一種高產率淨化瀝青製作方法步驟
100‧‧‧高產率淨化瀝青裝置
101‧‧‧瀝青反應槽
102‧‧‧氣體入口端
103‧‧‧氣體出口端
104‧‧‧產物出口端
105‧‧‧環狀槽
106‧‧‧圓錐凹槽
200‧‧‧攪拌棒
201‧‧‧攪拌葉片
202‧‧‧上擋板
202a‧‧‧上擋板之孔洞
203‧‧‧下擋板
203a‧‧‧下擋板之孔洞
第一圖顯示本發明一種高產率淨化瀝青之設備示意圖。
第二圖顯示本發明一種高產率淨化瀝青之設備之流程圖。
第三圖顯示本發明一種高產率淨化瀝青之設備之擋板作動圖。
第四圖顯示本發明一種高產率淨化瀝青之製作方法流程圖。
100‧‧‧瀝青反應槽系統
101‧‧‧瀝青反應槽
102‧‧‧氣體入口端
103‧‧‧氣體出口端
104‧‧‧產物出口端
105‧‧‧環狀槽
106‧‧‧圓錐凹槽
200‧‧‧攪拌棒
201‧‧‧攪拌葉片
202‧‧‧上擋板
202a‧‧‧上擋板之孔洞
203‧‧‧下擋板
203a‧‧‧下擋板之孔洞

Claims (20)

  1. 一種高產率淨化瀝青之製作設備，係包括：高產率淨化瀝青裝置，係由瀝青反應槽與攪拌棒所組成；瀝青反應槽，係由氣體入口端、氣體出口端、產物出口端、環狀槽、圓錐凹槽所組成；攪拌棒，係由數個攪拌葉片、上擋板、下擋板，係連結於攪拌棒結構；上擋板，係由數個孔洞之圓型平板所組成；以及下擋板，係由數個孔洞之圓型平板所組成。
  2. 如申請專利範圍第1項之一種高產率淨化瀝青之製作設備，其中瀝青反應槽與攪拌棒，係可為不銹鋼、碳鋼、銅、鐵或其混合之群組。
  3. 如申請專利範圍第1項之一種高產率淨化瀝青之製作設備，其中攪拌葉片數量2~10片。
  4. 如申請專利範圍第1項之一種高產率淨化瀝青之製作設備，其中攪拌葉片形狀為矩形、長方形、圓形、三角形或其組合之群組。
  5. 如申請專利範圍第1項之一種高產率淨化瀝青之製作設備，其中上擋板之每平方公尺上的孔洞數量1~1,000個。
  6. 如申請專利範圍第1項之一種高產率淨化瀝青之製作設備，其中上擋板之孔洞形狀為矩形、長方形、圓形、三角形或其組合之群組。
  7. 如申請專利範圍第1項之一種高產率淨化瀝青之製作設備，其中下擋板之每平方公尺上的孔洞數量1~1,000個。
  8. 如申請專利範圍第1項之一種高產率淨化瀝青之製作設備，其中下擋板之孔洞形狀為矩形、長方形、圓形、三角形或其組合之群組。
  9. 如申請專利範圍第1項之一種高產率淨化瀝青之製作設備，其中上擋板與下擋板之洞孔呈現貫穿或封閉型式。
  10. 一種高產率淨化瀝青之製作方法，其步驟係包括：(A)提供一配調溶劑比例之瀝青溶液於一高產率淨化瀝青裝置；(B)提供一惰性氣體於瀝青反應槽內，並持溫靜置一段時間；(C)攪拌棒以一定速度置入瀝青反應槽內一瀝青溶液；(D)使得攪拌棒之上擋板與下擋板原貫穿的孔洞呈現封閉型式；(E)開啟產物出口端，排除圓錐凹槽內含QI成分之瀝青溶液；(F)反覆注入液體清洗圓錐凹槽數次，直到含QI成分之瀝青溶液全數移除；(G)關閉產物出口端，使得攪拌棒之上擋板與下擋板原封閉的孔洞呈現貫穿型式；(H)移動攪拌棒之上擋板與下擋板到環狀槽水平位置，並以一定轉速旋轉，以及氣體出口端抽真空一段時間；(I)得到一高產率淨化瀝青。
  11. 如申請專利範圍第10項所述一種高產率淨化瀝青之製作方法，其中步驟(B)的惰性氣體，係為氮氣、氬氣、氦氣或其混合 之群組。
  12. 如申請專利範圍第10項所述一種高產率淨化瀝青之製作方法，其中步驟(B)之持溫靜置係於反應槽內通入惰性氣體，並維持該反應槽內之溫度。
  13. 如申請專利範圍第12項所述一種高產率淨化瀝青之製作方法，其中加熱溫度控制在60~140℃之間，最佳加熱溫度在80~120℃之間。
  14. 如申請專利範圍第12項所述一種高產率淨化瀝青之製作方法，其中加熱時間控制在0.5~24小時，最佳加熱時間在1~12小時。
  15. 如申請專利範圍第10項所述一種高產率淨化瀝青之製作方法，其中步驟(C)攪拌棒下降速度控制在0.1~50cm/s，最佳下降速度控制在0.5~20cm/s。
  16. 如申請專利範圍第10項所述一種高產率淨化瀝青之製作方法，其中步驟(F)之液體，係為丙酮、正庚烷、酒精、水或其混合之群組。
  17. 如申請專利範圍第10項所述一種高產率淨化瀝青之製作方法，其中步驟(F)之液體清洗圓錐凹槽內，次數為1~10次，最佳清洗次數為2~5次。
  18. 如申請專利範圍第10項所述一種高產率淨化瀝青之製作方法，其中步驟(H)移動攪拌棒之上擋板與下擋板到環狀槽水平位置，脫離與瀝青反應槽直接接觸。
  19. 如申請專利範圍第10項所述一種高產率淨化瀝青之製作方法，其中步驟(H)旋轉速度控制在0~1,000rpm，其最佳旋轉速度在100~500rpm。
  20. 如申請專利範圍第10項所述一種高產率淨化瀝青之製作方法，其中步驟(H)真空控制在10-3~500Torr，其最佳真空在10-1~300Torr。
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