DE3886573T2 - Bitumenemulsionen. - Google Patents
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Description
- Diese Erfindung betrifft Bitumenemulsionen und ein Verfahren für ihre Herstellung. Bitumenemulsionen sind bekannte Materialien die im Straßenbau und für andere Zwecke brauchbar sind. Ihre Vorteile sind einfache Handhabung aufgrund ihrer geringeren Viskositäten im Vergleich zum Ausgangsbitumen und ihre Fähigkeit, bei niedrigeren Temperaturen durch Sprühung und andere Techniken aufgebracht zu werden. Es bestehen keine Umweltprobleme, weil das vorhandene Wasser bei der Anwendung verdampft, wenn die Emulsion bricht, um dort eine Bituinenschicht zu hinterlassen, wo sie benötigt wird.
- Es gibt zwei Hauptverfahren, die zur Zeit bei der Herstellung von Bitumenemulsionen verwendet werden. Bei dem ersten wird eine. Kolloidmühle verwendet und bei dem zweiten wird eine Zentrifugalpumpe verwendet.
- Bei dem Verfahren, bei dem eine Kolloidmühle verwendet wird, werden Bitumen, Wasser und Emulgator bei einer hohen Scherrate emulgiert. Das Verfahren ist kontinuierlich, aber um eine Emulsion zu erhalten, bei der der mittlere Teilchendurchmesser des Bitumens in einem akzeptablen Bereich liegt, besteht für jede eingesetzte Pumpe eine Durchsatzgrenze, damit eine ausreichend hohe Scherrate erhalten wird. Ferner wird das Verfahren bei atniosphärischem Druck durchgeführt und es hat sich in der Praxis gezeigt, daß das Bitumen dem Emulgator nicht bei einer Temperatur höher als 140ºC zugeführt werden kann, damit das Emulsionsprodukt bei einer Temperatur von weniger als 100ºC austritt. Höhere Temperaturen beim Bitumeneinsatzmaterial erfordern niedrigere Temperaturen beim zugeführten Wasser. Dies verursacht eine Hauterhärtung des Bitumens beim Kontakt der beiden Einsatzmaterialien und die Emulgierung wird sehr schwierig. Dieser Temperaturfaktor setzt hinsichtlich der Art des Bitumens, das bei der Bitumenemulsionsherstellung auf diesem Weg verwendet werden kann, eine Grenze. Gemäß einer kürzlichen Entwicklung, bei der Drücke verwendet werden, die etwas größer als atmosphärischer Druck sind, wird das Produkt gekühlt, so daß es aus dem Mischer unterhalb von 100ºC einer Temperatur von austreten kann. Dies erfordert eine Extraausrüstung und ist schwierig zu kontrollieren.
- Bei dem zweiten bekannten Verfahren wird eine Zentrifugalpumpe verwendet, die in Praxis normalerweise nicht unter Druck betrieben werden kann. Dieses Verfahren weist wiederum die Nachteile des oben beschriebenen Kolloidmühlenverfahrens auf und es ist ferner im wesentlichen nur ein Chargenverfahren. Die Wasserphase muß kontinuierlich recycliert werden, während das heiße Bitumen portionsweise zugesetzt wird. Das resultierende Emulsionsprodukt weist eine recht große Teilchengrößenverteilung auf und dies führt zu einer Ungleichmäßigkeit in der Oberfläche, die bei der Anwendung des Produkts erhalten wird.
- In der EP-A-0 162 591 ist eine Bitumenemulsionzusammensetzung und die Herstellung einer Emulsion von Bitumen in Wasser mit hohem internen Phasenverhältnis beschrieben, die unter Bedingungen mit geringer Scherung hergestellt wird. Das Herstellungsverfahren umfaßt eine Emulsion, in der verformte Bitumentröpfchen durchschnittliche Durchmessern im Bereich von 2 bis 50 Um aufweisen und durch dünne Wasserfilme voneinander getrennt sind; solche Emulsionen enthalten 70 bis 98, insbesondere 80 bis 98 Gew.-% Bitumen. Es wird auf ein Verfahren Bezug genommen, bei dem eine Anlage verwendet wird, von der bekannt ist, daß sie für die Mischung viskoser Flüssigkeiten (Fluide) geeignet ist. Zusätzlich zu der Anlage, auf die spezifisch Bezug genommen wird, wird darauf hingewiesen, daß auch statische Mischer verwendet werden können.
- Es besteht ein definitiver Bedarf an einem kontinuierlichen Bitumenemulgierverfahren, das leicht zu kontrollieren ist, zu einer guten Ausstoßrate an Produkt fähig ist, das Bitumenteilchen mit einer geringen durchschnittlichen Teilchengröße aufweist, und bei dem ein großer Bereich von Bitumenausgangsmaterialien verwendet werden kann.
- In der folgenden Beschreibung und den folgenden Ansprüchen wird der Ausdruck Bitumen verwendet, uni natürliche oder sich von Erdöl ableitende Bitumen zu bezeichnen und er schließt die bekannten Bitumen mit Penetrationsqualität, Bitumen mit geblasener oder oxidierter Qualität und polymermodifizierte Bitumen ein, die z.B. mit Styrol/Butadien-Polymeren oder Ethylen/Vinylacetat- Polymeren modifiziert sind.
- Beispiele sind diejenigen, die einen Erweichungspunkt (Ring und Kugel) von 20, vorzugsweise 50 bis 200 ºC aufweisen. Insbesondere sind diejenigen geeignet, deren Erweichungspunkt zwischen 35 und 100, speziell 35 und 60 oder 43 und 60ºC liegen, und/oder diejenigen, deren ASTM-Penetrationsindex bei 25ºC etwa 40 bis etwa 70 beträgt.
- Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung einer Bitunieneniulsion geliefert, bei dem
- (a) das Bitumen einer ersten statischen Mischstufe bei einer Temperatur oberhalb von 50ºC aber nicht höher als 250ºC zugeführt wird,
- (b) in die erste statische Mischstufe Wasser unter Druck eingeführt wird, wobei der Druck ausreicht, uni eine wesentliche Verdampfung des Wassers zu verhindern,
- (c) in die erste statische Mischstufe Tensid oder Emulgator eingeführt wird,
- (d) das Bitumen, das Wasser und das Tensid oder der Emulgator in der ersten statischen Mischstufe gemischt werden,
- (e) die resultierende Mischung aus der ersten statischen Mischstufe zu einer zweiten statischen Mischstufe geleitet wird, in der die Temperatur niedriger ist als diejenige, die in der ersten statischen Mischstufe vorherrscht, und unter dem Siedepunkt von Wasser liegt,
- (f) die Mischung durch die zweite statische Mischstufe geleitet wird und
- (g) aus der zweiten statischen Mischstufe ohne wesentlichen Wasserverlust ein Bitumenemulsionsprodukt entnommen wird.
- Vorzugsweise wird bei dem Verfahren in der ersten statischen Mischstufe ein erster statischer Mischer verwendet und in der zweiten statischen Mischstufe wird ein zweiter statischer Mischer verwendet, d.h. es ist ein Verfahren bevorzugt, bei dem zwei statische Mischer verwendet werden, und es wird iin folgenden als solches beschrieben.
- Statische Mischer sind bekannt, z.B. diejenigen, die als Fulzer oder Kenics bekannt sind. Kenics-Mischer sind in Chemineers Brochure 800E, veröffentlicht 1984 durch Chemineer Ltd. beschrieben. Die US-A-3 286 992 beschreibt solche Mischer.
- Geeignete erste und zweite statische Mischer zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren besitzen im allgemeinen nicht die gleiche Größe (Länge, Durchmesser, Zahl interner Elemente) und sie sind Mischer, bei denen der Kontakt der zu mischenden Materialien und das Mischen sehr innig ist, was zu einer hohen Scherrate führt. Sie sind durch eine kurze Verweilzeit gekennzeichnet, die es ermöglicht, einen großen Durchsatz zu erzielen, und sie dennoch insbesondere für kontinuierliche Herstellungsverfahren geeignet macht. Aufgrund der spezifischen Ausgestaltung des Mischers gibt es eine sukzessive Aufteilung des turbulenten Flusses und dies führt zur Dispersion der Materialien wenn sie durch den Mischer laufen. Es ist eine hohe Fließrate möglich, wobei die Fließrate eine Funktion des Durchmessers und der Länge des statischen Mischers sowie der Pumpeneigenschaften ist. Bei Verwendung statischer Mischer, bei denen deren Länge, die Temperatur und der Druck eingestellt werden können, um die gewiinschte Emulsion zu liefern, ist große Flexibilität möglich. Die Zahl an Mischern oder an Elementen in dem oder jedem im erfindungsgeniäßen Verfahren verwendeten Mischer ist nicht begrenzt und eine Kombination mehrerer Typen kann ausgewählt werden, um die Mischeffizienz und Emulsionstropfengröße einzustellen. Es können beispielsweise zwei oder mehr Mischer vorhanden sein, die die erste Stufe bilden, und zwei oder mehr Mischer vorhanden sein, die die zweite Stufe bilden.
- Bei einer bevorzugten Durchführung der Erfindung ist der Auslaß des ersten statischen Mischers in der Nähe des Einlasses des zweiten statischen Mischers angeordnet. Es ist daher bequem, wenn die Mischer konzentrisch angeordnet sind, der Rohrdurchmesser des zweiten statische Mischers etwas größer ist als der des ersten statischen Mischers und sich der Auslaß des ersten statischen Mischers in den zweiten statischen Mischer erstreckt. Auf diese Weise fallen der Auslaß des ersten statischen Mischers und der Einlaß des zweiten statischen Mischers zusammen. Außerdem ist die Aufteilung des Flusses in mehreren statischen, parallel installierten Mischern möglich.
- Erfindungsgemäß wird das Bitunien in den ersten statischen Mischer eingeführt. Außerdem wird Wasser in den ersten statischen Mischer gegeben und weiterhin mindestens etwas des benötigen Tensids (Emulgators). Normalerweise wird das Tensid als wäßrige Lösung zugesetzt, vorzugsweise in dem dem Mischer zugeführten Wasser. Die dem ersten statischen Mischer zugeführte Menge Wasser muß mindestens ein ausreichendes Volumen (des gesamten für das Endprodukt benötigten Volumens) umfassen, um die Emulgierung in dem statischen Mischer zu erleichtern. Die Einführung, z.B. das Einspritzung, des Wassers in den ersten statischen Mischer muß unter Druck erfolgen. Dieser Druck muß ausreichen, um eine wesentliche Verdampfung des Wassers in dem statischen Mischer zu verhindern, und der Druck liegt in der Praxis normalerweise zwischen 2 und 100 bar, vorzugsweise zwischen 2 und 80 bar und bevorzugter beträgt 2 bis 50 bar, z.B. 10 bis 30 bar. Der in den Mischern beobachtete Differenzdruck hängt von ihrer Ausgestaltung (Durchmesser, Länge, Zahl der Elemente) und der Fließrate im Inneren der Anlage ab. Die Zuführpumpeneigenschaften sind die einzigen begrenzenden Faktoren. Die Temperatur in dem ersten statischen Mischer beträgt üblicherweise 70ºC bis 250ºC, bevorzugter liegt sie zwischen 110 und 190ºC, z.B. beträgt sie 110 bis 150ºC oder 110ºC bis 130ºC. Das Bitumen wird normalerweise bei 100 bis 200ºC zugeführt.
- Beim Austreten aus dem ersten statischen Mischer wird das Produkt einem zweiten statischen Mischer zugeführt. Vorzugsweise weist letzter einen größen Durchmesser auf und enthält mehr statische Mischelemente. In diesen zweiten Mischer kann ferner weiteres Wasser und/oder Tensid zugeführt werden und vorzugsweise am Einlaßende desselben. Der bevorzugte Zweck des zweiten Mischers besteht darin, eine gute Dispersion zu bewirken, die Temperatur auf weniger als 100ºC zu senken und einen Druckabfall zu erzeugen, so daß das Produkt im wesentlichen bei atmosphärischem Druck austritt.
- Wenn ein Teil der insgesamt benötigten Menge Wasser für eine vorgegebene Emulsion dem ersten Mischer nicht zugesetzt wird, sondern dem Zweiten zugeführt wird, fungiert es daher als Abschreckmittel (Quenchmittel) und trägt zur benötigten Temperaturerniedrigung bei.
- Das verwendete Tensid/der verwendete Emulgator kann eines/einer desjenigen/derjenigen sein, die herkömmlicherweise bei der Herstellung von Bitumenemulsionen verwendet werden. Obwohl es nicht üblich ist, ist es möglich, eine nichtionische Art zu verwenden. Typischer anionische Tenside sind Natriumoleat und Natriumabietat. Üblicher werden kationische Emulsionen benötigt und die bekannten kationischen Tenside, z.B. Hydrochloride von Aminen, sind sehr geeignet. Eines hiervon ist Talgdiaminhydrochlorid, das unter dem Handelsnamen Dinoram S verkauft wird.
- Verglichen mit früheren Bitumenemulsionherstellungsverfahren kann man häufig eine höhere Gesamtfließrate bei signifikant verringerten Kosten erhalten. Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein billiges kontinuierliches Verfahren, da es Fließraten von 5 bis 50 m/s und eine hohe Produktionsrate von bis zu 20 m³/h in Pilotanlagen sowie eine große Flexibilität bei der Auswahl der Verfahrensausrüstung (mehrere Mischer in Serie, variable Größe und Zahl von internen Einbauten, verschiedene Einspritzpunkte, Tensidmischungen, Temperaturgradient) erlaubt. Außerdem ist die Errichtung der optimalen Emulsionbetriebsbedingungen extrem einfach, wobei der Betriebszustand in der Anlage nach ein paar Sekunden erreicht ist. Es erlaubt recyclierenden Betrieb (die fertige Emulsion wird zuni Einlaß des ersten statischen Mischers zurückgeführt), uni die Teilchengrößenverteilung und die Emulsionsstabilität zu verbessern.
- Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird eine Bitumenemulsion geliefert, die bis zu 70 Gew.-%, z.B. 50 bis zu 70 Gew.-% Bitumen mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser im Bereich von 2 bis 6,5 oder 7 um umfaßt.
- Bevorzugter umfaßt die Emulsion 50 bis 70 Gew.-%, z.B. 55 bis 65 Gew.-% Bitumen mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser im Bereich von 2 bis 6,5 um.
- Eine schematische Darstellung einer für den Einsatz in dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignete Anordnung ist in Figur 1 gezeigt. Leitung 1 ist eine Zuführleitung für Bitumen in den ersten statischen Mischer 2. Eine Zuführleitung 3 in den ersten statischen Mischer 2 wird durch die Leitung 3 und die Leitung 1 geliefert. Der Auslaß des ersten statischen Mischers endet am Einlaß 4 des zweiten statischen Mischers 5. Eine Leitung 6 für das Abschreckwasser (Quenchwasser) zum Einlaß 4 wird via Leitung 6 geliefert. Eine Emulsionsproduktauslaßleitung aus dem zweiten statischen Mischer via Leitung 7 führt zu einem Lager 8. Beide statische Mischer sind Kenic-Mischer, wobei der erste eine Länge von 4,5 cm (6 Elemente) und einen Durchmesser von 0,63 cm (1/4") aufweist und der zweite eine Länge von 140 cm (18 Elemente) und einen Durchmesser von 1,27 cm (1/2") aufweist.
- Unter Verwendung des gerade beschriebenen Geräts wurden wie folgt vier kationische Bitumenemulsionen hergestellt:
- Bitunien mit 130 bis 170ºC wurde in den statischen Mischer 2 gepumpt. Durch die Leitung 3 wurden unter Druck Wasser und kationisches Tensid (Dinoram S) in den Mischer 2 eingeführt. Die Bedingungen in dem Mischer waren: Temperatur 110 bis 130ºC und Druck 10 bis 30 bar. Das Produkt aus dem Mischer 2 wurde dem Mischer 5 zugeführt und via Leitung 6 wurde Abschreck-/Verdünnungswasser zugesetzt. Die Bedingungen in dem zweiten Mischer waren so, daß das Produkt bei atmosphärischem Druck und ungefähr 80ºC bis 90ºC austrat.
- In den Beispielen 3 und 4 wurde das Bitumenausgangsmaterial mit ungefähr 15 % bekannten Bitumenverdünnungsöl verdünnt.
- Die folgende Tabelle gibt die Eigenschaften des Bitumeneinsatzmaterials und der fertigen Bitumenemulsionen wieder. Es wird ein Vergleich mit einer zur Zeit kommerziell erhältlichen kationischen Bitumenemulsion gezogen. Beispiel Ausgangmaterial Bekanntes Produkt Bitumen Ring & Kugel ºC Penetration Visk. (mm²/s) (cSt) (140ºC) Emulgator (kg/t) Emulsionsprodukt % Bitumen Rückstand % 160 um Sieb mittlerer Teilchendurchmesser (um) SB/modifiziert
Claims (11)
1. Verfahren zur Herstellung einer Bitumenemulsion, dadurch
gekennzeichnet, daß
(a) das Bitumen einer ersten statischen Mischstufe bei
einer Temperatur oberhalb von 50ºC aber nicht höher als
250ºC zugeführt wird,
(b) in die erste statische Mischstufe Wasser unter Druck
eingeführt wird, wobei der Druck ausreicht, um eine
wesentliche Verdampfung des Wassers zu verhindern,
(c) in die erste statische Mischstufe Tensid oder Emulgator
eingeführt wird,
(d) das Bitumen, das Wasser und das Tensid oder der
Emulgator in der ersten statischen Mischstufe gemischt
werden,
(e) die resultierende Mischung aus der ersten statischen
Mischstufe zu einer zweiten statischen Mischstufe
geleitet wird, in der die Temperatur niedriger ist als
diejenige, die in der ersten statischen Mischstufe
vorherrscht, und unter dem Siedepunkt von Wasser liegt,
(f) die Mischung durch die zweite statische Mischstufe
geleitet wird und
(g) aus der zweiten statischen Mischstufe ohne wesentlichen
Wasserverlust ein Bitumenemulsionsprodukt entnommen
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in der ersten statischen
Mischstufe ein erster statischer Mischer verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem in der zweiten
statischen Mischstufe ein zweiter statischer Mischer
verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das der ersten
statischen Mischstufe zugeführte Bitumen eine Temperatur von
70ºC bis 250ºC aufweist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
weiteres Wasser in die Mischung eingeführt wird, die sich in
der zweiten statischen Mischstufe befindet oder dieser
zugeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
weiteres Tensid oder weiterer Emulgator in die Mischung
eingeführt wird, die sich in der zweiten, statischen
Mischstufe befindet oder dieser zugeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
das Tensid oder der Emulgator als wäßrige Lösung zugesetzt
wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das Tensid oder der
Emulgator in das Wasser eingeführt wird, das der oder jeder
statischen Mischstufe zugeführt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
die Temperatur in der ersten statischen Mischstufe im
Bereich von 110 bis 130ºC liegt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
der Druck in der ersten statischen Mischstufe im Bereich von
2 bis 80 bar liegt.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
die Mischung, die durch die zweite statische Mischstufe
geleitete wird, einem Druckabfall und einer Abkühlung
unterworfen wird, wodurch das Produkt im wesentlichen bei
atmosphärischem Druck und unterhalb von 100ºC austritt.
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